Uma pilha de eletrólise com baixa tensão e alta corrente exige algo diferente da fonte de alimentação do que uma carga com alta tensão e baixa corrente. Ambas podem consumir a mesma potência. Por isso, o valor em quilowatts, por si só, não ajuda muito na escolha. O que é decisivo é saber se a fonte de alimentação consegue fornecer a corrente necessária durante todo o período de funcionamento previsto e se disponibiliza tensão suficiente para o efeito.
Isto diz respeito ao desenvolvimento de eletrolisadores e a ensaios eletroquímicos em laboratório, bem como ao tratamento eletrolítico de superfícies. A escolha da fonte de alimentação de corrente contínua adequada pode ser determinada com base em algumas perguntas: Como varia a carga? Deve ser regulada a corrente ou a tensão? E que perdas ocorrem entre a fonte e a célula?
Por que razão o ponto de funcionamento se desloca
Na eletrólise da água, a energia elétrica decompõe a água em hidrogénio e oxigénio. Os eletrolisadores alcalinos e os de PEM diferem, entre outros aspetos, no eletrólito, nos elétrodos e na estrutura. A sua curva característica elétrica depende da tecnologia e das condições de funcionamento. Se estas se alterarem, pode circular uma corrente diferente, mesmo com a mesma tensão aplicada. O Ministério da Energia dos EUA descreve as tecnologias básicas de eletrólise.
Uma curva de polarização ajuda na conceção. Mostra qual a tensão da célula ou da pilha correspondente a uma determinada densidade de corrente. A curva só é significativa quando acompanhada das condições de medição: a temperatura, a pressão e o caudal devem constar do relatório. Desta forma, é possível comparar de forma significativa um ensaio posteriormente. O método de ensaio harmonizado do JRC define estas condições.
O tamanho da célula também é um fator importante. A densidade de corrente j = I / A relaciona a corrente com a área ativa A definida para o processo. A mesma corrente pode exercer uma carga elevada numa célula pequena e uma carga significativamente menor numa célula maior. Por essa razão, os amperes, por si só, não são suficientes para fazer uma comparação.
Ao longo do tempo, a corrente transporta carga elétrica. No caso de corrente constante, aplica-se Q = I × t; no caso de corrente variável, efetua-se uma integração ao longo do tempo. A proporção da carga que contribui para a reação química pretendida depende do rendimento da corrente e de possíveis reações secundárias. Por conseguinte, duplicar a corrente não garante, de forma geral, o dobro da quantidade de produto utilizável. A terminologia harmonizada do JRC explica os conceitos de carga, densidade de corrente e rendimento eletroquímico.
A corrente precisa de uma reserva de tensão
Se pretender fazer circular uma corrente definida pela célula, recomenda-se o modo de corrente constante, ou CC. A fonte de alimentação ajusta a sua tensão de forma a que a corrente definida circule. No entanto, só pode compensar uma variação na tensão da célula dentro dos limites da sua reserva de tensão. Quando atinge o limite de tensão definido, passa para o modo de regulação de tensão. A corrente resulta então da tensão e do processo ligado.
Selecione o limite de acordo com os valores de processo admissíveis. A tensão máxima disponível da fonte de alimentação não constitui um valor de funcionamento admissível para todas as pilhas. Se, pelo contrário, um ensaio tiver de seguir uma curva de tensão pré-definida, o CV (modo de tensão constante) pode ser o tipo de regulação adequado. O plano de ensaio ou de processo determina qual a variável a ser controlada e qual a ser limitada.
Num conjunto de células ligadas em série, as tensões das células somam-se, enquanto a mesma corrente circula por todas as células. Se uma instalação incluir vários conjuntos, é necessário considerar também a forma como estão interligados. Os protocolos de ensaio do JRC descrevem a estrutura e as condições de funcionamento das células e dos conjuntos.
Tenha também em conta as quedas de tensão nos cabos, contactos e outros componentes. O que é determinante é toda a gama de funcionamento prevista, incluindo as tensões máximas das células nas condições de funcionamento admissíveis. Uma fonte de alimentação que cubra o ponto nominal a quente pode já atingir o seu limite de tensão noutro ponto. Cada ponto exigido deve estar em conformidade com os limites de tensão, corrente e potência, bem como com a carga contínua admissível do equipamento.
Exemplo de cálculo: O que se perde entre a fonte e a pilha
Tomemos, a título meramente ilustrativo, um exemplo elétrico com dez células ligadas em série. Cada uma delas necessita, no ponto de funcionamento em questão, de 2,0 V a 60 A. Estes valores não constituem parâmetros de referência para um processo de eletrólise real. Para o conjunto da linha de ida e volta, assumimos uma resistência de 10 mΩ:
| Tamanho | Cálculo | Resultado |
|---|---|---|
| Tensão no stack | 10 × 2,0 V | 20,0 V |
| Potência elétrica na pilha | 20,0 V × 60 A | 1.200 W |
| Queda de tensão em toda a linha de ida e volta, assumindo 10 mΩ | 60 A × 0,010 Ω | 0,6 V |
| Perdas de potência neste circuito de linha | 60² A² × 0,010 Ω | 36 W |
| Ponto de partida necessário da fonte, sem perdas adicionais | 20,0 V + 0,6 V a 60 A | 20,6 V / 1 236 W |
No stack são convertidos 1 200 W, e o circuito de cabos transforma mais 36 W em calor. Para tal, a fonte tem de fornecer 1 236 W. O seu consumo de rede é superior devido às suas próprias perdas. A componente de tensão adicional compensa as perdas nos cabos, mas não impede que estes aqueçam.
Este exemplo também deixa claro por que razão o local de medição é importante: uma medição de tensão diretamente nos terminais da fonte de alimentação regista a tensão no próprio dispositivo. Para o processo, o que interessa é a tensão no stack. A função «Remote Sense» permite, em dispositivos e modos de funcionamento adequados, referenciar a regulação da tensão a esta ligação de carga. As condições em que tal é permitido estão indicadas no manual de instruções correspondente. Continua a ser necessário um dimensionamento adequado das linhas de potência e a medição do processo.
Com que suavidade deve fluir a corrente?
No que diz respeito à qualidade da corrente, a ondulação residual também é importante: trata-se de oscilações indesejadas em torno da componente contínua. Por isso, compare os valores da ficha técnica tendo em conta a amplitude, a gama de frequências e as condições de medição. Os valores de pico a pico e os valores efetivos não podem ser convertidos diretamente uns nos outros sem se conhecer a forma do sinal.
A qualidade da corrente pode ser relevante para os eletrolisadores. Parache e coautores investigaram ondulações de corrente sobrepostas num ensaio de 3 000 horas em eletrolisadores PEM. Certas formas de onda analisadas influenciaram o envelhecimento. Os resultados mostram, ao mesmo tempo, a importância do sistema e da forma de onda para a avaliação. A partir disso , não é possível deduzir um valor-limite geral para cada eletrolisador , nem prometer um rendimento superior apenas com base num valor reduzido indicado na ficha técnica.
Para efeitos de aquisição, determine de que qualidade da corrente o processo necessita nos seus pontos de funcionamento. Isto inclui a gama de cargas parciais prevista. O fornecedor deve poder explicar em que condições se aplicam os seus dados.
O que o procedimento de ensaio exige da fonte de alimentação
Nos ensaios de desenvolvimento, as correntes são frequentemente alteradas de forma gradual e a tensão, a temperatura e o tempo são registados. Para que o processo seja repetível, a curva do valor de referência, os momentos de medição e as condições do processo têm de estar em sintonia. Por isso, a interface inclui também a questão de saber com que rapidez a saída responde a uma nova especificação na carga real.
Se pretender utilizar impulsos rápidos ou mudanças de polaridade, verifique expressamente o estágio de saída necessário para o efeito, as flancos, a reação da carga e a energia de retorno admissível. Uma fonte de corrente contínua programável não possui automaticamente estas capacidades. O impacto de tal funcionamento no processo eletroquímico constitui um tema de investigação à parte.
Cobrir o ponto de exemplo com a série DP-P
O DP30-80P, com 30 V, 80 A e potência nominal de 2,4 kW, cobre os valores calculados de 20,6 V e 60 A, correspondentes a 1 236 W, de acordo com os seus valores nominais. Oferece regulação CC/CV, bem como interfaces RS232 e RS485 com Modbus RTU. Desta forma, um sistema de controlo de ensaios externo pode definir valores de referência e consultar valores reais. Opcionalmente, a ligação pode ser complementada com LAN e um pacote de E/S analógicas independente desta. O pacote analógico substitui uma ligação RS232 existente.
Para a escolha de uma configuração real, devem ser tidos em conta, para além do ponto de referência, os restantes pontos de trabalho, a qualidade de regulação necessária, os limites do processo e o comportamento em caso de desligamento. Os sistemas de maior dimensão necessitam, além disso, de uma configuração adequada dos equipamentos: este modelo de 2,4 kW não suporta o funcionamento em paralelo mestre/escravo. Esta função da série DP-P está reservada aos módulos de 15 kW concebidos para o efeito.
Estas informações ajudam na escolha
A fonte de alimentação funciona em conjunto com o restante sistema de controlo do processo numa instalação de eletrólise. A temperatura, o abastecimento de meios, o controlo de gás e a pressão podem limitar o funcionamento admissível. O sistema de controlo da instalação tem de ser capaz de reagir a estas condições. É possível integrar um bloqueio no fonte de alimentação neste conceito, mas, por si só, este não constitui um dispositivo de segurança completo para o processo químico.
Para a pré-seleção técnica, descreva a configuração das suas células ou pilhas, os intervalos de tensão e corrente, o funcionamento contínuo e o perfil de carga. Também é útil indicar a medição e a ligação pretendidas, bem como as condições-limite e de desligamento do processo. Envie estes dados essenciais para service@dsc-electronics.de. Ajudá-lo-emos a adaptar a gama de saída e o equipamento à sua configuração experimental.
