Una pila de electrólisis de baja tensión y alta intensidad exige a la fuente de alimentación algo diferente a lo que exige una carga de alta tensión y baja intensidad. Ambas pueden consumir la misma potencia. Por lo tanto, la potencia en kilovatios por sí sola no es un criterio muy útil a la hora de elegir. Lo decisivo es si la fuente de alimentación puede suministrar la corriente necesaria durante todo el tiempo de funcionamiento previsto y proporcionar la tensión suficiente para ello.
Esto se aplica tanto al desarrollo de electrolizadores y a los ensayos electroquímicos de laboratorio como al tratamiento electrolítico de superficies. Para elegir una fuente de alimentación de corriente continua adecuada, basta con plantearse unas cuantas preguntas: ¿Cómo varía la carga? ¿Se debe regular la corriente o la tensión? ¿Y qué pérdidas se producen entre la fuente y la célula?
Por qué se desplaza el punto de trabajo
En la electrólisis del agua, la energía eléctrica descompone el agua en hidrógeno y oxígeno. Los electrolizadores alcalinos y los de membrana de polímero de electrólito (PEM) se diferencian, entre otras cosas, en el electrolito, los electrodos y su estructura. Su curva característica eléctrica depende de la tecnología y de las condiciones de funcionamiento. Si estas cambian, puede circular una corriente diferente con la misma tensión aplicada . El Ministerio de Energía de EE. UU. describe las tecnologías básicas de electrólisis.
Una curva de polarización ayuda en el diseño. Muestra qué tensión de célula o de pila corresponde a una densidad de corriente determinada. La curva solo resulta significativa si se acompaña de las condiciones de medición: la temperatura, la presión y el caudal deben figurar en el informe. De este modo, el ensayo podrá compararse de forma adecuada más adelante. El método de ensayo armonizado del JRC establece estas condiciones.
El tamaño de la célula también influye. La densidad de corriente j = I / A relaciona la corriente con la superficie activa A definida para el proceso. Una misma corriente puede suponer una carga elevada para una célula pequeña y una carga notablemente menor para una más grande. Por esta sola razón, los amperios no bastan para realizar una comparación.
Con el paso del tiempo, la corriente transporta carga eléctrica. En el caso de una corriente constante, se cumple que Q = I × t; en el caso de una corriente variable, se realiza una integración con respecto al tiempo. La proporción de la carga que contribuye a la reacción química deseada depende del rendimiento de la corriente y de las posibles reacciones secundarias. Por lo tanto, duplicar la corriente no garantiza de forma general el doble de cantidad de producto útil. La terminología armonizada del JRC explica los conceptos de carga, densidad de corriente y rendimiento electroquímico.
La corriente necesita una reserva de tensión
Si desea hacer pasar una corriente determinada por la célula, lo más adecuado es el modo de corriente constante, abreviado CC. La fuente de alimentación ajusta su tensión de tal forma que fluya la corriente establecida. Solo puede compensar una variación en la tensión de la célula dentro de su reserva de tensión. Cuando alcanza el límite de tensión establecido, pasa al modo de regulación de tensión. La corriente se calcula entonces a partir de la tensión y del proceso conectado.
Seleccione el límite que se ajuste a los valores de proceso admisibles. La tensión máxima disponible de la fuente de alimentación no es un valor de funcionamiento admisible para todas las pilas. Sin embargo, si se desea que un ensayo siga una curva de tensión predeterminada, el modo CV (modo de tensión constante) puede ser el tipo de regulación adecuado. El plan de ensayo o de proceso determina qué variable se controla y cuál se limita.
En una pila formada por celdas conectadas en serie eléctricamente, las tensiones de las celdas se suman, mientras que por todas las celdas circula la misma corriente. Si una instalación cuenta con varias pilas, hay que tener en cuenta además su conexión. Los protocolos de ensayo del JRC describen la estructura y las condiciones de funcionamiento de las celdas y las pilas.
Además, tenga en cuenta las caídas de tensión en los cables, los contactos y otros componentes. Es determinante el rango de trabajo completo previsto, incluidas las tensiones máximas de las celdas en las condiciones de funcionamiento admisibles. Una fuente de alimentación que cubra el punto nominal en caliente puede alcanzar ya su límite de tensión en otro punto. Cada punto requerido debe ajustarse a los límites de tensión, corriente y potencia, así como a la carga continua admisible del dispositivo.
Ejemplo de cálculo: lo que se pierde entre la fuente y la pila
Tomemos, a modo de ejemplo eléctrico meramente ilustrativo, diez celdas conectadas en serie. Cada una de ellas requiere, en el punto de funcionamiento considerado, 2,0 V a 60 A. Estos valores no son especificaciones para un proceso de electrólisis real. Para el conjunto de los cables de ida y vuelta, suponemos una resistencia de 10 mΩ:
| Tamaño | Cálculo | Resultado |
|---|---|---|
| Tensión en la pila | 10 × 2,0 V | 20,0 V |
| Potencia eléctrica en la pila | 20,0 V × 60 A | 1.200 W |
| Caída de tensión en toda la línea de ida y vuelta, suponiendo una resistencia de 10 mΩ | 60 A × 0,010 Ω | 0,6 V |
| Pérdida de potencia de este bucle de línea | 60² A² × 0,010 Ω | 36 W |
| Punto de partida necesario de la fuente sin más pérdidas | 20,0 V + 0,6 V a 60 A | 20,6 V / 1.236 W |
En el stack se transforman 1.200 W, y el bucle de cableado convierte otros 36 W en calor. Para ello, la fuente debe suministrar 1.236 W. Su consumo de red es superior debido a sus propias pérdidas. La tensión adicional compensa las pérdidas en el cableado, pero no evita que los cables se calienten.
El ejemplo también deja claro por qué es importante el punto de medición: una medición de tensión realizada directamente en los bornes de la fuente de alimentación registra la tensión en el dispositivo. Para el proceso, lo que le interesa es la tensión en la pila. La función «Remote Sense» puede, en dispositivos y modos de funcionamiento adecuados, ajustar la regulación de tensión en función de esta conexión de carga. En el manual de instrucciones correspondiente se indica cuándo y cómo está permitido hacerlo. Sigue siendo necesario un dimensionamiento adecuado de los cables de potencia y la medición del proceso.
¿Con qué suavidad debe fluir la corriente?
En lo que respecta a la calidad de la corriente, también es importante la ondulación residual: las fluctuaciones no deseadas en torno a la componente continua. Por ello, compare los valores de la ficha técnica teniendo en cuenta la amplitud, el rango de frecuencias y las condiciones de medición. Los valores de pico a pico y los valores eficaces no se pueden convertir directamente unos a otros sin conocer la forma de la señal.
La calidad de la corriente puede ser relevante para los electrolizadores. Parache y sus coautores estudiaron las ondulaciones superpuestas de la corriente en un ensayo de 3.000 horas con electrolizadores PEM. Ciertas formas de onda analizadas influyeron en el envejecimiento. Los resultados muestran, al mismo tiempo, la importancia que tienen el sistema y la forma de onda a la hora de realizar la evaluación. De ello no se puede deducir un valor límite general para todos los electrolizadores, ni prometer un mayor rendimiento basándose únicamente en un pequeño valor de la ficha técnica.
Para la adquisición de la fuente de alimentación, determine qué calidad de corriente necesita el proceso en sus puntos de trabajo. Esto incluye el rango de carga parcial previsto. El proveedor debería poder explicar en qué condiciones son válidos sus datos.
Requisitos del ensayo para la fuente de alimentación
En los ensayos de desarrollo, las corrientes suelen modificarse gradualmente y se registran la tensión, la temperatura y el tiempo. Para que el proceso sea repetible, la curva del valor de consigna, los momentos de medición y las condiciones del proceso deben coincidir. Por ello, la interfaz también debe tener en cuenta la rapidez con la que la salida responde a una nueva consigna en la carga real.
Si tiene previsto utilizar pulsos rápidos o cambios de polaridad, compruebe expresamente la etapa de salida necesaria para ello, los flancos, la respuesta de la carga y la energía de retorno admisible. Una fuente de corriente continua programable no dispone automáticamente de estas capacidades. El efecto que tiene este tipo de funcionamiento sobre el proceso electroquímico es un tema que merece un estudio aparte.
Cubrir el punto de ejemplo con la serie DP-P
El DP30-80P, con 30 V, 80 A y una potencia nominal de 2,4 kW, cubre los valores calculados de 20,6 V y 60 A —lo que equivale a 1.236 W— según sus valores nominales. Ofrece regulación CC/CV, así como interfaces RS232 y RS485 con Modbus RTU. De este modo, un sistema de control de ensayos externo puede establecer valores de consigna y consultar los valores reales. Opcionalmente, se pueden añadir una conexión LAN y un paquete de E/S analógicas independiente de esta para completar la conectividad. El paquete analógico sustituye a una conexión RS232 existente.
A la hora de elegir una configuración real, hay que tener en cuenta, además del punto de referencia, los demás puntos de trabajo, la precisión de regulación requerida, los límites del proceso y el comportamiento en caso de desconexión. Los sistemas de mayor tamaño requieren, además, una configuración adecuada de los dispositivos: este modelo de 2,4 kW no admite el funcionamiento en paralelo maestro/esclavo. Esta función de la serie DP-P está reservada a los módulos de 15 kW diseñados específicamente para ello.
Esta información te ayudará a elegir
En una planta de electrólisis, el sistema de alimentación eléctrica funciona en coordinación con el resto del sistema de control del proceso. La temperatura, el suministro de medios, el flujo de gas y la presión pueden limitar el funcionamiento admisible. El sistema de control de la planta debe poder reaccionar ante ello. Es posible integrar en este concepto un dispositivo de enclavamiento en la fuente de alimentación; sin embargo, por sí solo no constituye un dispositivo de seguridad completo para el proceso químico.
Para la preselección técnica, describa la configuración de sus celdas o pilas, los rangos de tensión y corriente, el funcionamiento continuo y el perfil de carga. También resulta útil indicar la medición y la conexión deseadas, así como las condiciones límite y de desconexión del proceso. Envíe estos datos básicos a service@dsc-electronics.de. Le ayudaremos a adaptar el rango de salida y el equipamiento a su montaje experimental.
