Molte industrie si affidano all’elettricità per eseguire la maggior parte dei loro processi chimici. Oltre a fornire energia per l’illuminazione, produce materiali essenziali. Uno dei modi principali in cui le industrie producono queste sostanze di uso quotidiano è attraverso la decomposizione elettrochimica, il processo di scissione dei composti mediante l’energia elettrica. I prodotti di queste reazioni includono metalli puri, idrogeno gassoso e sostanze chimiche.
La decomposizione elettrochimica richiede un stabile flusso di elettricità. Tuttavia, la maggior parte delle industrie riceve corrente alternata dalla rete, che viene poi convertita in corrente continua. La corrente alternata cambia costantemente direzione, rendendola inadatta alla decomposizione elettrochimica. È qui che entrano in gioco i raddrizzatori. Essi convertono l’energia alternata in continua e controllano la potenza che li attraversa.
Senza questi componenti fondamentali nel circuito, l’elettroraffinazione non sarebbe possibile. I migliori sistemi di raddrizzatori funzionano con un basso consumo energetico per migliorare la produzione riducendo al contempo i costi di manutenzione.
Il ruolo dell’elettrolisi nella produzione chimica industriale
L’industria chimica si affida all’elettrolisi per separare i composti utilizzando l’elettricità. È fondamentale per l’estrazione di elementi preziosi come la soda caustica, la produzione di idrogeno e la raffinazione dei metalli.
Cloro e soda caustica
Il processo cloro-alcalino scinde l’acqua salata o la salamoia in cloro gassoso, soda caustica e idrogeno gassoso. Oggi nelle industrie si utilizzano soprattutto speciali confinamenti elettrolitici, come le celle a membrana.
- All’anodo (elettrodo positivo), gli ioni di cloro perdono elettroni per formare cloro gassoso.
2Cl– → Cl2 + 2e–
- All’elettrodo negativo, le molecole d’acqua guadagnano elettroni, liberando idrogeno gassoso e ioni idrossido.
2H2O + 2e– → H2 + 2OH–
Gli ioni idrossido prodotti al catodo reagiscono con gli ioni sodio della salamoia per formare soda caustica o idrossido di sodio.
Produzione di idrogeno
La decomposizione elettrochimica dell’acqua è il modo più efficiente e pulito per produrre idrogeno gassoso con energia rinnovabile. Le forme di produzione tradizionali, come lo stream methane reforming (SMR), rilasciano anidride carbonica bruciando combustibili fossili.
- All’anodo: l’acqua perde alcuni elettroni per formare ossigeno.
2H2O → O2 + 4H+ + 4e–
- Al catodo: gli ioni di idrogeno guadagnano elettroni, liberando idrogeno gassoso.
4H+ + 4e– → 2H2
Produzione di alluminio
Le industrie estraggono l’alluminio con il processo Hall-Heroult, che prevede l’elettro-raffinazione dell’ossido di alluminio fuso (Al2O3) mescolato con criolite (Na3AIF6) per abbassarne il punto di fusione. Questa fase richiede molta elettricità ed è il modo in cui viene prodotta la maggior parte dell’alluminio mondiale.
- Gli ioni di alluminio guadagnano elettroni sull’elettrodo negativo per formare alluminio liquido sul fondo.
Al3+ +3e − →Al
- Gli ioni di ossigeno perdono elettroni all’elettrodo positivo per formare ossigeno gassoso. Il gas reagisce quindi con gli anodi di carbonio per rilasciare anidride carbonica.
2O2−→ O 2 + 4e−
Raffinazione elettrochimica dei metalli
La maggior parte dei metalli, come il rame, l’argento e l’oro, viene purificata attraverso l’elettroraffinazione. Il processo rimuove le impurità dal metallo aggiungendolo a una soluzione con due elettrodi. Quando viene fornita una potenza elevata, il metallo puro si deposita su uno degli elettrodi mentre l’altro rimuove le impurità.
- All’anodo (rame impuro): il rame si dissolve nella soluzione sotto forma di ioni di rame.
Cu → Cu2+ + 2e–
- Al catodo (foglio di rame puro): gli ioni di rame guadagnano un elettrone per formare il rame solido.
Cu2+ + 2e– → Cu
Le impurità raccolte all’anodo possono essere particelle di oro, argento o altri metalli. Anche queste possono essere raccolte e trattate.
Perché i raddrizzatori sono fondamentali nell’elettrolisi
Sebbene i raddrizzatori convertano principalmente la corrente alternata in corrente continua, i loro vantaggi vanno oltre questa funzionalità. Essi aiutano a gestire le fluttuazioni di potenza per garantire le condizioni ottimali per le reazioni chimiche. Questa sezione spiega perché i convertitori e i raddrizzatori sono fondamentali nella decomposizione elettrochimica.
Conversione di corrente alternata in corrente continua per l’elettrolisi
La decomposizione elettrochimica è possibile solo con la corrente continua. Tuttavia, la maggior parte dell’energia della rete elettrica è in corrente alternata, inadatta alla reazione chimica. Un raddrizzatore converte la corrente alternata in corrente continua, garantendo un’alimentazione continua. Con la corrente alternata, le fluttuazioni di corrente disturberebbero il movimento degli ioni.
Regolazione della tensione e della corrente
Come spiegato in precedenza, ogni processo di elettrolisi richiede una quantità specifica di energia per funzionare in modo ottimale. Le basse tensioni potrebbero non avviare la reazione, mentre l’alta potenza potrebbe portare al surriscaldamento e al danneggiamento dell’apparecchiatura. I raddrizzatori stabilizzano l’alimentazione controllando la corrente e la tensione che attraversano il sistema. Una corretta regolazione garantisce una migliore qualità e previene lo spreco di energia.
Efficienza energetica e riduzione dei costi
Le industrie spendono molto per l’elettricità, soprattutto in processi come l’elettroraffinazione. Se le apparecchiature sprecano questa preziosa risorsa, i costi operativi possono essere elevati. I convertitori e i raddrizzatori ottimizzano il consumo di energia lasciando passare solo l’elettricità necessaria. L’efficienza riduce anche l’impatto ambientale, perché meno energia va sprecata.
Riduzione della distorsione armonica e del rumore elettrico
Le fluttuazioni irregolari di potenza in un sistema elettrico possono produrre distorsioni armoniche. Questo rumore elettrico può portare a reazioni instabili o a una qualità incoerente del prodotto durante la decomposizione elettrochimica. I raddrizzatori progettati in modo appropriato attenuano queste distorsioni e prevengono le interferenze di altre apparecchiature vicine. La riduzione del rumore e delle distorsioni garantisce un’elettrolisi affidabile ed efficiente.
Prolungare la durata delle apparecchiature e ridurre la manutenzione
Le apparecchiature utilizzate per i processi di elettroraffinazione sono costose e richiedono frequenti riparazioni o sostituzioni. Un’alimentazione elettrica instabile può danneggiare o compromettere i circuiti elettrici, gli elettrodi e i cavi. I raddrizzatori prevengono le fluttuazioni o i picchi di tensione improvvisi per contribuire a ridurre l’usura. Con convertitori e raddrizzatori adeguati, le industrie possono evitare inutili tempi di inattività e concentrarsi sui punti critici.
Tipi di raddrizzatori utilizzati nell’elettrolisi industriale
Ecco i diversi tipi di raddrizzatori utilizzati nell’elettroraffinazione industriale, a seconda delle esigenze specifiche dell’elettrolizzatore.
Raddrizzatori a tiristori (raddrizzatori SCR)
Questi raddrizzatori utilizzano raddrizzatori controllati al silicio (SCR) o tiristori per convertire la corrente alternata in corrente continua. Il processo inizia con la corrente alternata proveniente dall’alimentazione e passa poi attraverso gli SRC, che fungono da gate. Questi tiristori permettono il passaggio di corrente solo quando viene dato un “trigger”. Un segnale al trigger può controllare la tensione CC in uscita.
HyRec Scale di FRIEM è un raddrizzatore industriale sviluppato con tecnologia a tiristori. Un’unità può alimentare più elettrolizzatori fino a 60 MVA per PSU. Sviluppato a partire dalle funzionalità di base dei sistemi cloro-alcali, viene utilizzato principalmente per alimentare gli elettrolizzatori alcalini.
Caratteristiche
- Buon controllo della corrente e della tensione – Controllando il momento in cui i gate consentono il passaggio della corrente, è possibile controllare la quantità di energia che attraversa il processo di decomposizione elettrochimica.
- Supporta efficacemente alte potenze – I tiristori possono sopportare migliaia di volt e ampere durante il funzionamento, rendendoli ideali per operazioni pesanti come l’estrazione dei metalli e la produzione di idrogeno.
- Affidabilità – Oltre a poter lavorare ad alta potenza, i tiristori sono robusti e possono funzionare a lungo in ambienti difficili.
Raddrizzatori basati su IGBT
I transistor bipolari a gate isolato (IGBT) sono interruttori elettronici veloci che convertono automaticamente l’alimentazione da CA a CC. Quando arriva la corrente alternata, viene convertita in impulsi ad alta frequenza grazie agli interruttori IGBT, che si accendono e si spengono rapidamente. Circuiti speciali con vari tipi di condensatori e induttori attenuano le fluttuazioni.
La HyCon Station di FRIEM è un inverter IGBT multilivello che offre soluzioni per gli ambienti della chimica industriale. È costruito con un sistema di raffreddamento ad aria forzata per garantire prestazioni ottimali all’esterno. L’unità è inoltre dotata di tecnologia AFE, che consente una conversione di potenza ad alte prestazioni senza la necessità di filtri aggiuntivi.
Caratteristiche
- Qualità dell’alimentazione – I raddrizzatori basati su IGBT generano una minore distorsione armonica grazie alla commutazione ad alta frequenza e ai sistemi di filtraggio interni. Ciò consente di evitare filtri armonici esterni o sistemi di miglioramento del fattore di potenza per migliorare la qualità dell’alimentazione.
- Leggeri e compatti – I raddrizzatori non necessitano di un enorme trasformatore o di apparecchiature aggiuntive per il miglioramento della qualità dell’alimentazione durante il funzionamento. La maggior parte dei raddrizzatori basati su IGBT sono leggeri e compatti.
- Uscita DC stabile – Grazie all’alta frequenza e ai circuiti integrati, il raddrizzatore basato su IGBT è in grado di regolare la corrente per fornire una bassa ondulazione della tensione di uscita. I raddrizzatori sono quindi ideali per l’elettroraffinazione ad alta precisione e per la carica delle batterie nelle applicazioni della chimica industriale.
Raddrizzatori a impulsi multipli
Come suggerisce il nome, questo tipo di raddrizzatore è dotato di più gruppi di raddrizzatori che convertono l’alimentazione in corrente alternata in una corrente continua più stabile. Inizia prendendo l’energia da un’alimentazione trifase e la fa passare attraverso una serie di diodi o tiristori disposti in parallelo. Ciascuna serie elabora una parte diversa del ciclo CA e più sono gli impulsi (6, 12, 24, …), più regolare è l’uscita CC.
La stazione HyRec di FRIEM è un raddrizzatore a più impulsi costruito con tecnologia SCR. La centrale ha 6/12 impulsi per unità, che possono essere espansi a più unità. Fornisce un’elevata corrente continua mantenendo un’impronta ambientale compatta. Un’altra stazione con raddrizzatori a più impulsi è la stazione Hydue con 12 impulsi.
Caratteristiche
- Meno distorsioni armoniche – I ponti multipli di questi raddrizzatori ricevono la tensione CA attraverso uno sfasamento. Questo fa sì che le armoniche generate si annullino, riducendo le distorsioni.
- Uscita CC costante – I raddrizzatori a più impulsi riducono l’ondulazione o la fluttuazione dell’uscita CC. Ciò garantisce un’uscita di potenza costante, più adatta alla maggior parte dei processi di decomposizione elettrochimica industriali.
- Gestisce carichi di alta potenza – I raddrizzatori a impulsi multipli gestiscono una potenza maggiore rispetto agli altri due tipi di raddrizzatori di questo elenco. Sono adatti agli impianti di decomposizione elettrochimica che richiedono megawatt di potenza durante il funzionamento.
FRIEM ha sviluppato diversi tipi di raddrizzatori per scopi e settori diversi. Queste apparecchiature offrono prestazioni affidabili in vari ambienti. Tuttavia, i requisiti individuali sono fondamentali per ottenere raddrizzatori di potenza perfetti per l’elettroraffinazione.