Fuentes de alimentación de DC programables completas, escalables y fiables para electrólisis de hidrógeno

La producción de hidrógeno por electrólisis está creciendo debido al uso del hidrógeno como fuente de energía libre de carbono. La Agencia Internacional de Energía (IEA) proyecta que la capacidad global de hidrógeno a través de la electrólisis crecerá de alrededor de 0.2 GW en 2019 a 160 GW para 2040. El aumento de la demanda y la caída de los costos de energías renovables solar y eólica, junto con los avances en la tecnología de electrólisis, están impulsando el crecimiento en el uso de hidrógeno para impulsar las celdas de combustible para el almacenamiento de energía, el transporte y los procesos industriales. Un ejemplo son las celdas de combustible impulsadas por hidrógeno para el almacenamiento de energía y la generación de electricidad cuando las centrales eléctricas necesitan energía adicional. Otros ejemplos del uso del hidrógeno incluyen celdas de combustible impulsadas por hidrógeno para impulsar vehículos eléctricos y aviación y como reactivo en procesos industriales como la producción de amoníaco.

El proceso de electrólisis, por supuesto, requiere energía eléctrica para crear hidrógeno. Idealmente, energizar el proceso de electrólisis utiliza energía confiable (limpia) producida de manera rentable con equipos que no requieren un espacio de piso excesivo.

Sin embargo, la producción de hidrógeno requiere una potencia significativa, lo cual es una consideración importante al evaluar diferentes fuentes de alimentación de CC programables. Este blog discutirá los conceptos básicos de la electrólisis de hidrógeno y mostrará cómo EA puede proporcionar una solución superior al desafío de la energía para una electrólisis de hidrógeno confiable, segura y compacta.

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El proceso de electrólisis del hidrógeno.

La electrólisis de hidrógeno es un método para producir gas hidrógeno que requiere agua y energía eléctrica. El proceso consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través del agua, H20, lo que hace que las moléculas de agua se descompongan en iones de hidrógeno, H+, e iones de oxígeno, O-. La electrólisis de hidrógeno se realiza en un electrolizador que contiene una membrana permeable a los iones de hidrógeno. Los iones de hidrógeno son atraídos por el electrodo cargado negativamente (el cátodo) y pasan a través de la membrana para llegar al cátodo. Por el contrario, los iones de oxígeno son atraídos por el electrodo cargado positivamente (el ánodo).

En el cátodo, los iones de hidrógeno obtienen electrones del sistema de energía y se convierten en gas hidrógeno, H2. En el ánodo, los iones de oxígeno pierden electrones por la corriente eléctrica y se convierten en oxígeno gaseoso, O2. Los dos gases se recogen por separado. La figura 1 ilustra el proceso de electrólisis.

Figura 1. El proceso de electrólisis para la generación de hidrógeno. Las salidas son hidrógeno y oxígeno.

El proceso de electrólisis consume mucha energía, ya que requiere una cantidad significativa de energía eléctrica para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Producir 1 kg de hidrógeno utilizando la energía solar como fuente de energía para un sistema de energía requiere al menos 50 kWh. Una instalación que produzca 100 kg de H2/día necesita al menos un sistema de potencia de 230 kW.

Energía escalable y confiable para electrólisis confiable

Veamos posibles soluciones para los intensos requisitos de energía para la producción de hidrógeno. Un power rack modular de EA Elektro-Automatik puede proporcionar la energía necesaria para plantas de electrólisis de hidrógeno de cualquier tamaño. Un rack, como el que se muestra en la Figura 2, puede proporcionar hasta 300 kW de potencia con hasta cinco fuentes de alimentación EA-PU 10000 6U de 60 kW. Las fuentes de alimentación de alta densidad, 6U y 60 kW permiten ahorrar espacio en la planta de producción, ya que solo se necesita un bastidor para entregar hasta 300 kW.

Se pueden combinar 12 racks adicionales para generar hasta 3.84 MW de potencia de salida total. Una fuente de alimentación actúa como controlador de hasta 63 fuentes de alimentación más en una configuración principal-auxiliar para crear un sistema tan grande como 64 fuentes de alimentación en paralelo. Para garantizar que un sistema funcione de manera segura, un enlace Share-Bus™ entre todos los suministros garantiza que cada suministro comparta una parte de la carga por igual. El enlace Share-Bus equilibra la energía entregada a la carga de manera uniforme entre todas las fuentes de alimentación.

Además de proteger un sistema de fuentes de alimentación en paralelo, el enlace de control Share-Bus puede desactivar la salida de una fuente de alimentación defectuosa. Una vez que se retira la fuente de alimentación defectuosa del sistema, el estante de poder se puede reinicializar y continuar con la salida de energía para el proceso de hidrólisis luego de una cantidad mínima de tiempo de inactividad del sistema. Por lo tanto, un power rack de EA ofrece una amplia escalabilidad para generar hasta 3.84 MW de potencia a prueba de fallas.

Figura 2. Un rack de alimentación EA, con 8 fuentes de alimentación, puede proporcionar hasta 240 kW con ahorros sustanciales de espacio de producción.

Salida de amplio rango para el máximo rendimiento de la fuente de alimentación de CC

Las fuentes de alimentación de CC programables de EA tienen una verdadera característica de salida de rango automático (consulte la Figura 3), lo que proporciona un voltaje y una salida de corriente mucho más amplios que una fuente de alimentación de capacidad comparable con una característica de salida rectangular convencional. A diferencia de una fuente de alimentación característica de salida rectangular que solo puede entregar la potencia máxima en un punto, el punto de voltaje máximo y corriente máxima, el EA rango automático verdadero Las fuentes de alimentación entregan toda la potencia desde el voltaje nominal máximo hasta 1/3 del voltaje nominal máximo, sin necesidad de parar y cambiar. Las amplias salidas de voltaje y corriente de una fuente de alimentación de rango automático EA pueden reducir potencialmente el tamaño y la cantidad de fuentes de alimentación necesarias para un sistema, lo que ofrece ahorros de costos significativos.

Figura 3. Característica de salida de una fuente de alimentación EA de rango automático real de 30 kW con una tensión nominal máxima de 500 V. Tenga en cuenta cómo la fuente de alimentación puede proporcionar la máxima potencia desde 500 V hasta 166.6 V.

Fácilmente controlado con una PC o un controlador lógico programable (PLC)

Ahora, veamos las opciones de monitoreo y la elección de la interfaz para el control automatizado de un sistema. Una fuente de alimentación EA puede interactuar con la interfaz USB o la interfaz Ethernet en una PC. Las interfaces opcionales incluyen, entre otras interfaces opcionales, una interfaz de bus CAN y una interfaz Profibus para el control desde un PLC. Además, las fuentes de alimentación EA DC tienen un modo de operación de comando SCPI para permitir el control desde programas de PC y un modo de operación de comando Modbus para control de PLC.

Con la interfaz Ethernet, los ingenieros pueden brindar soporte de diagnóstico y mantenimiento desde una ubicación remota para minimizar el tiempo de inactividad del sistema. Por lo tanto, una instalación de electrólisis de hidrógeno puede garantizar un ciclo de vida rentable para el bastidor eléctrico.

Completamente ensamblado para una instalación rápida y segura

Los sistemas están precableados y cumplen con las normas internacionales de seguridad. Los racks de alimentación, como los que se muestran en la Figura 4, están cableados profesionalmente y completamente documentados. Además, EA envía todos los racks de alimentación completamente probados según las especificaciones publicadas. Todo lo que se requiere para la instalación es alimentación de CA y refrigeración del sistema. Los power racks de EA se pueden enfriar con aire o con agua, según los requisitos de la instalación.

Figura 4. La parte trasera de un rack de potencia EA que muestra un cableado altamente ordenado y seguro y la salida paralela ensamblada con la barra colectora en el centro del rack.

Preparando su línea para el futuro con fuentes de alimentación programables de CC que crecen con sus necesidades de producción

Todos los aspectos de la energía renovable parecen estar mejorando año tras año, y la eficiencia de las celdas de combustible no es una excepción. A medida que la eficiencia continúa creciendo, la demanda también aumentará, ya que las industrias ya no pueden ignorar una fuente viable de energía formidable. La adquisición de los suministros de mayor densidad de energía satisfará sus necesidades de energía programable ahora y una mayor producción de energía en el futuro sin tener que rehacer su línea.

EA contribuye al futuro de la energía verde del mundo

La generación de hidrógeno por electrólisis para su uso en pilas de combustible y procesos industriales desempeñará un papel importante en la transición hacia un futuro energético más limpio y sostenible. Con sistemas de energía de alta densidad, escalables y a prueba de fallas, EA puede satisfacer la demanda de suministro de energía rentable y confiable. Para obtener ayuda con la alimentación del proceso de electrólisis de hidrógeno, contáctenos en www.eapowered.com.