Une pile d'électrolyse à basse tension et à courant élevé impose des exigences différentes à l'alimentation électrique qu'une charge à haute tension et à faible courant. Les deux peuvent absorber la même puissance. La puissance en kilowatts seule n'est donc pas un critère très utile pour le choix. Ce qui est déterminant, c'est de savoir si le bloc d'alimentation est capable de fournir le courant nécessaire pendant toute la durée de fonctionnement prévue et s'il fournit une tension suffisante à cet effet.
Cela concerne aussi bien le développement d'électrolyseurs et les essais électrochimiques en laboratoire que le traitement électrolytique des surfaces. Pour choisir une alimentation en courant continu adaptée, il suffit de se poser quelques questions : comment la charge évolue-t-elle ? Faut-il réguler le courant ou la tension ? Et quelles sont les pertes entre la source et la cellule ?
Pourquoi le point de fonctionnement se déplace-t-il ?
Lors de l'électrolyse de l'eau, l'énergie électrique décompose l'eau en hydrogène et en oxygène. Les électrolyseurs alcalins et à membrane PEM se distinguent notamment par leur électrolyte, leurs électrodes et leur conception. Leur courbe caractéristique électrique dépend de la technologie utilisée et des conditions de fonctionnement. Si celles-ci varient, un courant différent peut circuler pour une même tension appliquée. Le ministère américain de l'Énergie décrit les technologies fondamentales de l'électrolyse.
Une courbe de polarisation facilite la conception. Elle indique quelle tension de cellule ou de pile correspond à une densité de courant donnée. Pour être pertinente, cette courbe doit être accompagnée des conditions de mesure : la température, la pression et le débit doivent figurer dans le protocole. Cela permet de comparer utilement une expérience ultérieurement. La méthode d'essai harmonisée du JRC définit ces conditions.
La taille de la cellule joue également un rôle. La densité de courant j = I / A rapporte le courant à la surface active A définie pour le procédé. Un même courant peut solliciter fortement une petite cellule et nettement moins une cellule plus grande. C'est pourquoi les ampères ne suffisent pas à eux seuls pour établir une comparaison.
Au fil du temps, le courant transporte une charge électrique. Pour un courant constant, on a Q = I × t; pour un courant variable, on effectue une intégration dans le temps. La part de la charge qui contribue à la réaction chimique souhaitée dépend du rendement en courant et des éventuelles réactions secondaires. Doubler le courant ne garantit donc pas systématiquement le double de la quantité de produit utile. La terminologie harmonisée du CCR explique les notions de charge, de densité de courant et de rendement électrochimique.
Le courant a besoin d'une réserve de tension
Si vous souhaitez faire circuler un courant défini à travers la cellule, le mode courant constant, ou CC, est tout indiqué. L'alimentation adapte sa tension de manière à ce que le courant réglé circule. Elle ne peut toutefois compenser une variation de la tension de la cellule que dans les limites de sa réserve de tension. Lorsqu'elle atteint la limite de tension réglée, elle passe en mode régulation de tension. Le courant résulte alors de la tension et du processus connecté.
Sélectionnez la limite en fonction des valeurs de processus admissibles. La tension maximale disponible du bloc d'alimentation n'est pas une valeur de fonctionnement admissible pour toutes les piles. Si, en revanche, une expérience doit suivre une courbe de tension prédéfinie, le mode CV (tension constante) peut être le mode de régulation approprié. Le plan d'essai ou de processus détermine quelle grandeur doit être régulée et laquelle doit être limitée.
Dans un bloc composé de cellules montées en série, les tensions des cellules s'additionnent, tandis que le même courant circule dans toutes les cellules. Si une installation comporte plusieurs blocs, il faut également tenir compte de leur câblage. Les protocoles d'essai du JRC décrivent la conception et les conditions de fonctionnement des cellules et des blocs.
Tenez également compte des chutes de tension au niveau des câbles, des contacts et des autres composants. L'ensemble de la plage de fonctionnement prévue est déterminante, y compris les tensions de cellule maximales dans les conditions de fonctionnement admissibles. Un bloc d'alimentation qui couvre le point nominal à chaud peut déjà atteindre sa limite de tension à un autre point. Chaque point requis doit respecter les limites de tension, de courant et de puissance, ainsi que la charge continue admissible de l'appareil.
Exemple de calcul : ce qui se perd entre la source et la pile
Prenons, à titre d'exemple électrique purement illustratif, dix cellules montées en série. Chacune d'entre elles nécessite, au point de fonctionnement considéré, 2,0 V à 60 A. Ces valeurs ne correspondent pas aux paramètres d'un processus d'électrolyse réel. Nous fixons la résistance totale du circuit aller-retour à 10 mΩ :
| Taille | Calcul | Résultat |
|---|---|---|
| Tension au niveau de la pile | 10 × 2,0 V | 20,0 V |
| Puissance électrique au niveau de la pile | 20,0 V × 60 A | 1.200 W |
| Chute de tension sur l'ensemble de la ligne aller-retour, en supposant une résistance de 10 mΩ | 60 A × 0,010 Ω | 0,6 V |
| Perte de puissance de cette boucle de ligne | 60² A² × 0,010 Ω | 36 W |
| Point de départ nécessaire de la source, sans pertes supplémentaires | 20,0 V + 0,6 V à 60 A | 20,6 V / 1 236 W |
Le « stack » consomme 1 200 W, tandis que la boucle de câblage transforme 36 W supplémentaires en chaleur. La source doit donc fournir 1 236 W. Sa consommation sur le réseau est supérieure d'un montant correspondant à ses propres pertes. La tension supplémentaire compense les pertes dans les câbles, mais n'empêche pas ceux-ci de chauffer.
Cet exemple montre également pourquoi le point de mesure est important : une mesure de tension effectuée directement au niveau des bornes de l'alimentation électrique permet de déterminer la tension au niveau de l'appareil. Pour le processus, c'est la tension au niveau de la pile qui vous intéresse. La fonction « Remote Sense » permet, sur certains appareils et dans certaines conditions de fonctionnement, de baser la régulation de tension sur cette connexion de charge. Les conditions d'utilisation de cette fonction sont précisées dans le mode d'emploi correspondant. Un dimensionnement adapté des câbles d'alimentation et la mesure du processus restent nécessaires.
À quel point le courant doit-il être régulier ?
La qualité du courant dépend également de l'ondulation résiduelle : il s'agit des fluctuations indésirables autour de la composante continue. Comparez donc les valeurs indiquées dans les fiches techniques en tenant compte de l'amplitude, de la plage de fréquences et des conditions de mesure. Les valeurs crête à crête et les valeurs efficaces ne peuvent pas être converties directement les unes en les autres sans connaître la forme du signal.
La qualité du courant peut avoir une incidence sur les électrolyseurs. Parache et ses coauteurs ont étudié les ondulations de courant superposées dans le cadre d'un essai de 3 000 heures sur des électrolyseurs PEM. Certaines formes d'onde étudiées ont influencé le vieillissement. Les résultats montrent également à quel point le système et la forme d'onde sont importants pour l'évaluation. On ne peut en déduire ni une valeur limite générale applicable à tous les électrolyseurs , ni promettre un rendement supérieur sur la seule base d'une petite valeur indiquée dans la fiche technique.
Pour l'approvisionnement, déterminez la qualité du courant dont le processus a besoin à ses points de fonctionnement. Cela inclut la plage de charge partielle prévue. Le fournisseur doit être en mesure d'expliquer dans quelles conditions ses indications s'appliquent.
Ce que le déroulement de l'essai exige de l'alimentation électrique
Lors des essais de développement, les courants sont souvent modifiés progressivement, tandis que la tension, la température et le temps sont enregistrés. Pour que le processus soit reproductible, la courbe de la valeur de consigne, les instants de mesure et les conditions de processus doivent correspondre. La question de la rapidité avec laquelle la sortie réagit à une nouvelle consigne en fonction de la charge réelle fait donc également partie de l'interface.
Si vous prévoyez des impulsions rapides ou des changements de polarité, vérifiez expressément l'étage de sortie requis, les fronts, la réaction de la charge et l'énergie de retour admissible. Une source CC programmable ne dispose pas automatiquement de ces capacités. L'impact d'un tel fonctionnement sur le processus électrochimique constitue un sujet d'étude à part entière.
Couvrir le point d'exemple avec la série DP-P
Le DP30-80P, d'une tension nominale de 30 V, d'un courant nominal de 80 A et d'une puissance nominale de 2,4 kW, couvre les valeurs calculées de 20,6 V et 60 A, soit 1 236 W, conformément à ses caractéristiques nominales. Il offre une régulation CC/CV ainsi que des interfaces RS232 et RS485 avec Modbus RTU. Cela permet à un système de commande d'essai externe de définir des valeurs de consigne et d'interroger les valeurs réelles. En option, une connexion LAN et un module d'E/S analogiques indépendant de celle-ci complètent la connectivité. Le module analogique remplace une connexion RS232 existante.
Pour le choix d'une configuration réelle, il faut également tenir compte des autres points de fonctionnement, de la qualité de régulation requise, des limites du processus et du comportement en cas de coupure. Les systèmes de plus grande envergure nécessitent en outre une configuration d'appareils adaptée : ce modèle de 2,4 kW ne prend pas en charge le fonctionnement en parallèle maître/esclave. Cette fonction de la série DP-P est réservée aux modules de 15 kW prévus à cet effet.
Ces informations vous aideront à faire votre choix
Dans une installation d'électrolyse, le système d'alimentation électrique fonctionne en interaction avec le reste du système de contrôle du processus. La température, l'alimentation en fluides, la circulation des gaz et la pression peuvent limiter les conditions de fonctionnement admissibles. Le système de contrôle de l'installation doit être capable de réagir à ces facteurs. Un dispositif de verrouillage intégré au bloc d'alimentation peut être intégré à ce concept, mais il ne constitue pas à lui seul un dispositif de sécurité complet pour le processus chimique.
Pour la présélection technique, veuillez décrire la configuration de vos cellules ou de vos piles, les plages de tension et de courant, les conditions de fonctionnement en continu et le profil de charge. Il est également utile de préciser la mesure et le raccordement souhaités, ainsi que les conditions limites et de coupure du processus. Envoyez ces données clés à service@dsc-electronics.de. Nous vous aiderons à adapter la plage de sortie et l'équipement à votre montage expérimental.
