Livrabil Sipamasre R1 Test [304517]

Foaie de Gardă

Întocmit

Responsabil Proiect

ing. Neagu Dan Alexandru

STABILIREA SPECIFICATIILOR CONSTRUCTIVE ALE SIPAMASRE ALCĂTUIT DIN DOUĂ MODULE

Cuprins:

INTRODUCERE

Proiectul Sistem Inovativ de Protecție Anticorozivă Activă a [anonimizat] a metalelor, sistemul fiind alimentat de la surse regenerabile de energie. [anonimizat]/sau cea eoliană prin intermediul unui convertor static inteligent. Printre domeniile de aplicabilitate ale sistemului se numără conductele pentru transportul gazelor la distanțe mari (gazoducte)/conductele pentru transportul petrolului în zonele izolate pe care acestea le traversează (fără rețele de energie electrică), platformele petroliere marine și navale.

[anonimizat] S.A. prin oferirea unui sistem inovativ de protecție anticorozivă activă. Implementarea alimentării sistemului de la surse regenerabile de energie va conduce la creșterea eficienței energetice a acestuia, imbunătățirea factorilor de mediu si simplificarea conectării la o sursa de alimentare. [anonimizat].

Sistemul de protecție anticorozivă activă a metalelor, alimentat din surse regenerabile de energie este alcătuit din două module ([anonimizat]- si un modul destinat realizării protecției anticorozive active a metalelor -MPAM- format la rândul său din doua module: stația de protecție catodică și priza de potențial);

Fig1. SIPAMASRE

În domeniile de aplicabilitate a protecției anticorozive active ([anonimizat], transporturi navale), [anonimizat]. [anonimizat], creșterea eficienței economice a sistemului prin eliminarea costurilor transportului energiei de la o [anonimizat].

Din punct de vedere structural sistemul inovativ propus este format dintr-o [anonimizat] o [anonimizat].Pentru a [anonimizat] o [anonimizat].

1. ISTORICUL PROTECȚIEI ÎMPOTRIVA COROZIUNII

Lucrările lui Platon (427-347 N.C) conțineau prima descriere scrisă a coroziunii. Platon a definit rugina ca fiind componenta pământului care se separă de metal. După 2000 ani, Georgius Agricola, în marea sa lucrare mineralogică De Natura Fosillium, a avut aceeași părere: "Rugina fierului (lat. ferrugo sau rubigo) este, ca sa spun așa, o secreție a fierului metalic. Fierul poate fi protejat împotriva acestui defect prin diferite ambalaje, cum ar fi plumbul roșu, plumbul alb, ghips, bitum sau gudron". De asemenea, Gaius Secundus Plinius a menționat bitumul, smoala, plumbul alb și ghipsul pentru protejarea fierului și bronzului împotriva coroziunii. El a relatat că Alexandru Cel Mare a construit un pod de vase la Zeugmar, aflat pe Eufrat, cu ajutorul unui lanț de fier. Zalele care au fost introduse ulterior, au suferit atacuri de rugină, în timp ce cele originale au rămas imune. Opinia, exprimată uneori astăzi, că fierul modern este inferior și mult mai predispus coroziunii decât fierul vechi, era astfel populară chiar și în vremuri străvechi.

Conceptul de Proces de Coroziune, derivat din cuvântul latin corrodere (a se mânca, a distruge) a apărut prima dată în Tranzacțiile Filosofice în 1667. Conceptul a fost discutat într-o traducere în germană dintr-o lucrare franceză pentru fabricarea plumbului alb în 1785 și a fost menționat în 1836 în traducerea unui document englez scrisă de Davy privind protecția catodică a fierului în apa de mare. Cu toate acestea, aproape până în ziua de astăzi, termenul a fost utilizat fără discriminare pentru reacția de coroziune; efecte de coroziune și deteriorări de coroziune.

1.1. Protecția Împotriva Coroziunii pentru Conductele Îngropate

Procesele electrochimice active și pasive pe care se bazează protecția anticoroziune actuală erau deja cunoscute în secolul al XIX-lea, dar o protecție fiabilă pentru conducte a fost dezvoltată doar la începutul secolului al XX-lea. Protecția împotriva coroziunii folosind staturi de bitum datează încă din antichitate. Cea mai veche apariție a zăcămintelor de bitum a fost în Mesopotamia. Mulți scriitori ai antichității, cum ar fi Dido, Strabo si Vitruvius, menționează ca asfaltul a fost obținut pentru mulți ani în apropierea Babilonului. Acum aproximativ 5000 de ani, străzile din Ur, capitala Sumerienilor (la nord de Kuweitul de astăzi), erau luminate noaptea cu ulei mineral. S-a raportat că gazul natural a fost utilizat pentru iluminat în Orientul Mijlociu și China.

Bitumul a fost folosit în vremuri străvechi ca adeziv pentru închiderea structurilor hidraulice și ca mortar pentru zidărie [5]. Biblia menționează că Noe a folosit smoală pentru a îmbina Arca. Diferit de Turnul Babilonului, casele unuia dintre celui mai mare oraș antic din lume, Mohenjo-Daro în partea superioară a velei Induse, au fost construite cu cărămizi din argilă și mortar bituminos.

Primele conducte metalice, făcute din cupru, bronz și plumb, nu au avut nici o protecție împotriva coroziunii. Conductele erau adesea înconjurate de mortar cu var și ghips pentru sigilare, coeziune și protecție. Aceste conducte metalice vechi sunt rareori găsite astăzi, deoarece metalele valoroase au fost reutilizate odată ce conductele au fost abandonate. În 1907, arheologul Borchardt a descoperit prima conductă metalică într-un complex de temple aproape de piramida regelui Sahu-re. Aceasta făcea parte dintr-o conductă de 250 metri lungime care era folosit pentru a transporta apa de ploaie din curtea templului. Părțile de 1 m lungime, cu un diametru de 47 mm, au fost fabricate din muchii longitudinale suprapuse de 1.4 mm din cupru gros bătut, curbate și lipite împreună cu ciocanul. Conductele erau puse într-un canal acoperit cu var. Singura conductă bine conservată în așternutul său este prezentată în Fig. 1.1. Vârsta sa poate fi considerată 4500 de ani pentru că înregistrările indică faptul că regele Sahu-re a aparținut celei de-a cincea dinastii a puterii egiptene.

Fig. 1.1. Țeava metalică de la templul regelui Sahu-re, considerată cea mai veche din lume, (foto: Muzeul de stat, Berlin).

Fenicienii construiau aproximativ în anul 1000 Î. Hr conducte și țevi de apă din argila, piatra sau bron, iar construcția de conducte de apă pe distanțe lungi a înflorit în vremurile Imperiului Roman. Liniile de alimentare cu apă ale Romei aveau o lungime totală de aproximativ 450 km, și constau în principal din conducte de apă deschise sau acoperite. Scriitorul roman Vitruvius oferă o descriere destul de precisă a fabricării țevilor de plumb. Conductele erau deasupra solului și erau adesea dispuse lângă drum sau în conducte în interiorul caselor.

Odată cu căderea Imperiului Roman, străvechea alimentare cu apă s-a sfârșit. În vremurile medievale timpurii, oamenii erau mulțumiți să conducă apa locală în conductele de lemn pentru cisternele publice. Primele conducte de lemn pentru apa au fost puse la Lubeck în 1293 și în 1365 la Nurenberg. În 1412, maestrul constructor Augsburg, Leopold Karg, a folosit pentru prima data țevi din fier forjat în combinație cu țevi de lemn pentru a alimenta apă. Din cauza predispoziției lor la coroziune, se pare că s-au dovedit a fi un eșec și câțiva ani mai târziu au fost schimbate cu țevi de lemn, plumb și fontă.

Autorul primei istorii naturale germane, Puoch von der Natur, Chunrad von Megenberg, a raportat în 1349 că în principal zada și bradul au fost utilizate pentru furnizarea apei. Trunchiurile erau adesea cufundate în lapte de var sau în apa sărată înainte de a fi unite pe o mașina de foraj ca cea schițată de Leonardo da Vinci (Fig 1.2).

Fig. 1.2. Mașină de găurit pentru țevi din lemn, aproximativ anul 1500 (schiță de Leonardo da Vinci).

Conductele de lemn cu un capăt conic și celălalt casetat erau prinse între ele. Țevile cu capetele opuse erau ținute împreuna de coliere din fier forjat (denumite coliere "Tuchel"). Figura 1.3 prezinta țevile de lemn cu colier inelar din fonta (executate înainte de 1760). Manșoanele au fost sigilate cu cânepă, seu, smoală, ceară sau rășină, care a acționat de asemenea ca protecție pentru inelele de fier. Este consemnat că țevile de lemn erau vopsite cu smoală sau gudron. Mai târziu, țevile de lemn cu un interior acoperit cu gudron lichid au fost folosite În Londra și New York, pentru gazul urban și natural. Protecția conductelor din lemn împotriva putregaiului poate fi considerată precursorul protecției împotriva coroziunii conductelor din fier forjat.

Fig. 1.3. Conducta de apă din stejar vechi de peste 200 de ani așezată deasupra terenului în Wadgassen Abbey (Saarland) cu coliere din fontă (foto: Arhiva Mannesmann).

Ducele bavarez Maximilian I l-a solicitat pe maestrul constructor Simon Reifenstuel, în 1618 pentru a pune prima conductă pentru apă sărată de la Reichenhall la Traunstein. Linia lungă de 31 km necesita 9000 de conducte de lemn. Doua secole mai târziu, Regele Bavariei a solicitat extinderea conductei de la Reichenhall la Berchtesgaden.

Inginerul din Karlsruhe, George Friedrich von Reichenbach, a avut țevi din fontă distribuite conform propriilor specificații pentru această primă conductă germană de mare presiune. Conductele poroase din fontă trebuiau inițial să fie sigilate cu un amestec de ulei de semințe de in și var nestins fin pentru a putea rezista la o presiune de 43 atmosfere. Se pare că acest tratament cu ulei din semințe de in nu era destinat a proteja împotriva coroziunii interne, cunoscută abia la sfârșitul secolului XVII. Așa-numita „calcinare” a conductelor era menită nu numai să prevină formarea de noduli de rugină de fier care duceau atât la subțierea externă conductelor, cât și la atacuri corozive interne.

Nu se poate stabili cu precizie când s-a obținut pentru prima dată fierul topit în sfera culturală europeană. Producția de fier din Siegerland se întoarce înapoi la epoca romană. Fierul era fabricat în lumea străveche folosind forje de ardere a cărbunelui și numai o mică parte a fost transformată în oțel pentru arme.

Doar în epoca medievală, când roțile de apă furnizau aerul necesar, erau atinse temperaturile necesare pentru topirea fierului. Putem presupune că prima fontă turnată a fost obținută în Europa aproximativ în anul 1380, dar câteva decenii au trecut înainte de a putea fi făcute conducte din fontă pentru alimentarea cu apă, impulsul fiind dat de distribuția țevilor de armă. Maestrul Christian Slanterer a distribuit 30 de încărcătoare mici în Siegen în 1445. Doisprezece ani mai târziu, contele Johann IV avea nevoie de aprovizionare de apă pentru castelul Dilenburg și ordinul pentru țevi din fontă a mers la același maestru. Figura 1.4 prezinta capetele casetate ale unei țevi bine conservate, 1.1 m lungime cu un diametru de 70 mm, cu manșoane etanșate cu plumb.

Fig. 1.4. Priza de capăt a unei țevi de apă din fontă, sigilată cu plumb așezată în 1457 (foto: Rheinstahl, Gelsenkirchen).

În apropierea vremurilor medievale, țevile forjate și din fontă erau vopsite cu smoală topită sau gudron de lemn. O lucrare din 1827 arată că țevile au fost protejate gudron de cărbune pentru o perioadă lungă de timp. Înainte de a fi îngropate, în 1847, țevile de gaze și de apă din fontă erau tratate cu gudron la Hanovra. În Germania, gudronarea acoperișurilor de lemn era cunoscută înainte de 1770. Gudronul de cărbune a fost produs cantitativ în timpul producției de gaz pentru iluminat între 1792 și 1802 în Anglia. William Murdoch a construit prima uzină de producere a gazelor din Soho și a iluminat fabrica Boulton & Watt cu ocazia păcii de la Amiens în 1802.

Conductele din fontă au fost utilizate pentru alimentarea rețelei în primele etape ale alimentării cu gaz a orașelor, prizele lor fiind sigilate cu frânghie în smoală, câlți sau plumb. Inițial, țevile de conectare au fost din plumb și, ulterior, din fontă galvanizată sau din oțel forjat cu cărbune. După înfrângerea lui Napoleon în 1815, a existat un surplus de țevi de muschete ieftine, iar acestea au fost folosite adesea ca și conexiuni ale caselor pentru conductele de gaz din oraș. Termenul "barrel" – țeavă – este încă utilizat în Anglia pentru a descrie conductele de gaze de legătură.

Uzinele de gaz de la Dresda și Leipzig au fost înființate în 1828, iar garniturile de chit de plumb roșu au fost schimbate cu garnituri de frânghie gudronată când au fost experimentate pierderi considerabile în rețea. Un strat exterior de lac a fost aplicat drept protecție împotriva coroziunii pentru conducte și conexiuni. Regulatorul Leipzig din anul 1863 a subliniat protecția externă împotriva distrugerii prin oxidare în instrucțiunile sale de utilizare pentru instalarea sigură a țevilor. În Anglia între 1830 și 1850 găsim indicații privind utilizarea gudronului de cărbune și gudron de asfalt împreună cu alte materiale pentru protecția țevilor. O companie engleza fondată în 1884 pentru fabricarea gudronului de asfalt și placarea de mastic a fost prima care a folosit materiale de umplutură minerală.

După 1860, în Statele Unite, rețeaua de alimentare cu apă a fost furnizată doar ocazional cu acoperiri cu gudron. Aproximativ în 1896, activitățile întreprinderilor engleze au fost extinse în America, unde au fost realizate anterior conducte metalice neprotejate. Țevile pentru alimentarea cu apă au fost acoperite intern cu bitum în America după 1912. Vicat (1837), în Franța, și J. Bull (1843), în America, au introdus mortarul din ciment, cunoscut pe scară largă ca material de protecție pentru conductele de apă.

Cel mai cunoscut material de protecție a conductelor engleze a fost inventat de Angus Smith și a constat într-un amestec de gudron de cărbune și ulei de semințe de in. Din când în când se aflau țevi în nisip sau conducte din lemn pline cu smoală, pentru a le proteja deosebit împotriva solurilor agresive. Țevile bitumeinate învelite în hârtie pentru conducte de gaz care ar putea rezista presiunilor de 20 atmosfere au fost prezentate pentru prima dată în timpul expoziției de la Paris din 1867, deși se folosiseră pentru alimentarea cu apă cu puțin timp înainte (fig. 1.5). Placarea cu zinc a fost raportată ca fiind o protecție eficientă pentru țevile din fier forjat în 1864. F. Fischer a menționat protecția catodică pentru prima dată într-un raport exhaustiv. În 1875 a existat un raport privind utilizarea lânii minerale ca izolație a țevilor asfaltate sau gudronate. Prima avertizare privind distrugerea conductelor de gaz de soluri agresive și curenți de dispersie datează din 1892.

Fig. 1.5. Conductă de hârtie bituminată dintr-o conductă de apă de puț montată la Crailsheim în 1863

Iuta, îmbibată în smoală de gudron de cărbune topit, a fost utilizată după 1900, când a fost găsită oportună să asigure țevile forjate cu un strat mai gros de acoperire. După primul război mondial, acesta a fost îmbunătățită și mai mult cu bitum mineral și cu un amestec de ardezie și pulbere de var sau pulbere de granit. Schimbarea de la utilizarea gudronului la bitum oxidat, cu proprietăți fizice mult mai bune, a făcut posibilă depunerea de straturi groase în interiorul țevii de apa. La sfârșitul anilor 1920, se introducea pâsla de lână care să elimine putregaiul care apare la iuta înmuiată, ceea ce a dus la o îmbunătățire considerabilă a calității învelișului. Figura 1.6 prezinta aplicarea pâslei de lână bituminată la o țeavă ce a avut o îmbunătățire considerabilă a calității stratului de acoperire. O prognoză, repetată în jurnalul Gas und Wasserfach "că protecția externă în forma sa actuală nu va permite atacul asupra țevilor" s-a dovedit a fi prea optimistă. Din 1953, lucrările de țevi s-au schimbat de la pâslă de lână la lână de sticlă ca material suport pentru bitum de uz general, în principal din motive mecanice.

Fig. 1.6. Acoperirea unei țevi cu bitum în fabrica de conducte în 1935 (foto: Deutsche Röhrenwerke, Düsseldorf)

Domeniul pe care îl reprezintă acoperirea sudurilor a prezentat întotdeauna probleme. Paiele și iuta cu un material unsuros au fost utilizate în 1910, dar ulterior saponificate în sol. Din întâmplare, farmacistul Schade din Berlin a descoperit această problemă și a recomandat utilizarea vaselinei de petrol într-o aplicare asemănătoare bandajului. Benzile de bitum aplicate la cald, utilizate la lucrările de țevi din 1928, s-au dovedit a fi cele mai durabile. Din 1930, metodele de măsurare electrică efectuate de Institutul de gaze din Karlsruhe, în prezent Institutul Engler-Bunte, au jucat un rol important în cercetarea benzilor de izolare și a învelitorilor de țevi.

Pe măsură ce producția a crescut, noi materiale de acoperire pentru protecția țevilor au evoluat și au devenit disponibile o varietate de materiale sintetice. În 1950, conductele cu alimentare continuă din America și Italia au fost acoperite cu benzi de policlorură de vinil aplicate de utilaje de ambalat, dar chiar și straturile multiple au oferit protecție inadecvată împotriva deteriorării mecanice. Rezultate mai bune au fost obținute începând cu 1960, cu un tub extrudat cu duză, din polietilenă, care a fost strâns pe țeavă cu ajutorul unui adeziv. S-a realizat un proces pentru țevile mari prin topirea pulberii de polietilenă.

1.2. Protecția împotriva coroziunii prin vopsire

Structurile antice de fier nu prezintă, uneori, nici urma de coroziune, sau cel mult, foarte puțină. Atmosfera curată din secole trecute poate fi responsabilă pentru că a permis doar unui strat de oxid foarte subțire să se dezvolte la suprafață. Acest strat deobicei protejează chiar și împotriva poluanților industriali din ce în ce mai agresivi din prezent. Foarte des condițiile de coroziune inițială sunt cele care determină durata de viață a metalelor. Un exemplu bine-cunoscut este pilonul sacru al Kubcada din Delhi, care a fost forjat manual din bucați mari de fier spongios în anul 410 A.D. În aerul pur uscat, stâlpul rămâne fără urme de rugină, dar prezintă puncte de coroziuni în fierul îngropat în sol. Cu toate acestea, o probă din acest fier pur de 99.7% adus în Anglia s-a corodat la fel de rapid ca orice alt fier forjat.

In Europa si India, calupurile de fier spongios au fost făcute în mici furnale de topire folosind cărbune și aer furnizate de suflante; o singura topire a adus doar 8 – 10 de kilograme de fier forjat. Dezvoltarea fierului a fost diferită în China. Chinezii au folosit antracit încă din 200 B.C., iar acest lucru le-a permis să facă fontă în principal pentru obiecte utilitare, de exemplu brăzdare, ceaune, sau vaze mari. Tehnica turnării fierului nu a ajuns în Europa decât spre sfârșitul secolului al XIV-lea.

Necesitatea de a proteja oțelul și fierul împotriva coroziunii a fost recunoscută în general în secolul al XVIII-lea. Primele rapoarte moderne privind protecția împotriva ruginii au apărut în 1822 în Jurnalul Dinglers Polytechchem. Aceștia au propus utilizarea lacurilor, rășină sau uleiuri vegetale pentru vopsirea suprafețelor din oțel. Esențialul de bază al unei bune tehnici de vopsire, curățarea temeinică a suprafețelor metalice înainte de vopsire, pare să fi fost recunoscută în jurul anului 1847. Plumbul roșu ca înveliș principal a fost recomandat în 1885. Vopselele și lacurile fabricate din gudron de cărbune au fost utilizate în America după aproximativ 1860 pentru a proteja fierul și oțelul în construcția de nave, dar inițial au fost utilizate numai pentru acoperirea suprafețelor interioare ale navelor din fier. Vopseaua de gudron de cărbune a fost utilizată pentru prima dată în 1892 pentru a vopsi un doc plutitor mare. Ecluzele, încuietorile și stăvilarele din Canalul Panama au fost vopsite cu vopsea de gudron în 1912.

Un exemplu frecvent citat de protecție împotriva coroziunii atmosferice este Turnul Eiffel. Secțiunile înguste și, pentru această perioadă, subțiri, au necesitat o bună acoperire primară cu plumb roșu pentru protecția împotriva coroziunii. Stratul superior era ulei de in cu plumb alb, iar ulterior s-au adăugat straturi de ocru, oxid de fier și oxid micos de fier. De la construirea sa, stratul de acoperire a fost reînnoit de mai multe ori. Protecția modernă împotriva coroziunii atmosferice utilizează nitroceluloză cu uscare rapidă, rășini sintetice și rășini de reacție (amestecuri cu două componente). Chimistul Leo Baekeland a descoperit materialul sintetic numit după el, Bakelite, în 1907. Trei ani mai târziu, prima rășină sintetică (formaldehidă fenol) s-a dovedit a fi bună ca vopsea protectoare. O nouă eră a materialelor apăruse.

1.3. Istoria protecției catodice

În 1936, la Khuyut Rabuah, lângă Bagdad, au fost găsite câteva căni de argilă, cu o înălțime de aproximativ 14 cm. În interior era un cilindru îngust, de cupru, etanș, care conține un miez de fier corodat. Căni asemănătoare au fost găsite în ruinele lui Seleucis aflat pe opus opus al fluviului a lui Tigru. Ipoteza este că aceste obiecte provin din timpurile imperiului roman (27 B.C. – 395 A.D.) și Wilhelm Konig, un fost director al administrației antichităților din Bagdad, crede că aceste obiecte sunt celule de baterii folosite pentru a auri mici bijuterii prin procese electrolitice. El scrie: "Toate aceste descoperiri pot dovedi că galvanizarea electrică era cunoscută cu mult timp înainte ca Galvani (după care a fost denumită) a experimentat cu picioare de broască (1789)".

Forța de atragere a chihlimbarului frecat și alte efecte ale electricității erau cunoscute în vremuri străvechi. Știm, din descoperirea cuielor într-o veche epavă, că romanii știau despre coroziunea de contact, combinată cu fluxul de curent electric. Un strat de plumb, ca protecție împotriva cariilor de lemn, acoperea scândurile de lemn ale navei și era fixată cu cuie de cupru. Cupluri galvanice formate între plumb, cuiele de cupru și foile de plumb mai puțin nobile din jurul cuielor au corodat în apa de mare și au căzut. Constructorii de nave au descoperit o soluție simplă și au acoperit capetele cuielor de cupru cu plumb. Fluxul de curent galvanic dintre cele două metale a fost eliminat și a fost prevenită coroziunea.

Nu este sigur dacă Sir Humphrey Davy (fig.1.7) știa de aceste considerații. Acesta a acceptat un comision din partea Amiralității pentru protecția nave de lemn îmbrăcate în cupru, care fuseseră introduse în 1761. În cursul numeroaselor sale experimente de laborator, el a descoperit protecția catodică a cuprului cu zinc sau fier. Davy a prezentat deja ipoteza, în 1812, conform căreia modificările chimice și electrice sunt identice sau cel puțin apar ca urmare a aceleiași proprietăți materiale. El a considerat că forțele de reacție chimică ar putea fi reduse sau mărite prin modificarea stării electrice a materialului. Materialele se pot combina numai dacă au diferite sarcini electrice. Dacă un material inițial pozitiv poate fi încărcat în mod negativ în mod artificial, forțele de legare sunt distruse și nu mai pot participa la reacțiile de coroziune.

Fig. 1.7. Sir Humphrey Davy

Începuturile electricității galvanice și investigațiile asupra electroliților s-au bazat pe experimentele lui Galvani cu picioare de broască în 1789. Fizicianul italian Alessandro Volta a descoperit în Pavia în 1797 așa-numitul pila voltaică. Pentru prima dată, curentul a fost produs de celulă electrică. Procedeul de electroliză inversă fusese descoperit de Alexander von Humboldt în 1795 într-o celulă electrolitică cu electrozi de zinc și argint într-un electrolit apos. În 1798, Ritter a observat că seria potențială de metale era identică cu clasificarea metalelor, în funcție de oxidabilitatea acestora.

Deși aceste descoperiri nu pot fi numite electrochimie, explicațiile date de Davy sunt remarcabile. Davy stabilise că cuprul era un metal care acționa slab pozitiv într-o serie de potențiale galvanice. Din aceasta se deduce că acțiunea corozivă a apei de mare asupra cuprului ar putea fi prevenită dacă ar fi slab încărcată negativ. Dacă suprafața cuprului devine negativă (adică, un catod), toate reacțiile chimice, inclusiv coroziunea, ar fi prevenite. Pentru a explica acest proces, Davy a efectuat experimente în care bucăți șlefuite din cupru au fost cufundate în apă de mare slab acidificată. O bucată de staniu a fost sudată pe unul dintre cupoanele de cupru. După 3 de zile, cupoanele din cupru fără staniu au prezentat coroziune considerabilă, în timp ce esantionul cu alezaj de staniu lipit nu au prezentat nicio urmă de coroziune. Davy a ajuns la concluzia că alte metale nobile, cum ar fi zincul sau fierul, ar putea oferi protecție împotriva coroziunii. Davy a mai efectuat și alte experimente cu ajutorul elevului său Michael Faraday. Din această activitate a devenit evident că amplasarea zincului era nesemnificativă. Pe un alt cupon de cupru la care s-a lipit un cupon de fier, care a fost apoi conectat la o bucată de zinc, nu numai cuprul, ci și fierul a fost protejat împotriva coroziunii.

După ce Davy a comunicat aceste rezultate societății regale și amiralității britanice, în 1824 a obținut permisiunea de a începe experimente practice privind învelișul de cupru al navelor de război. Aceste experimente au fost efectuate la baza navală din Portsmouth. Davy a atașat plăcile din zinc și fontă pe navele acoperite cu cupru, pentru a proteja împotriva coroziunii. El a stabilit că fonta era cel mai economic material. Plăcile din fontă cu grosimea de 5 cm și lungimea de 60 cm au dat rezultate foarte satisfăcătoare pe nouă nave. Pe corpurile navelor unde niturile și cuiele erau deja ruginite, protecția împotriva coroziunii era eficientă doar în imediata vecinătate a anozilor. Pentru a explica acest lucru, Davy a efectuat alte experimente pe nava de război Sammarang.

Nava fusese acoperită cu o nouă foaie de cupru în India în 1821. Plăcile metalice din fontă care constituie 1.2% din suprafața totală de cupru a corpului navei au fost fixate la prova și la pupa. Nava a efectuat apoi o călătorie către Nova Scotia (Canada) și s-a întors în ianuarie 1825. În afară de un atac la pupa, care era atribuit vârtejurilor de apă, restul navei nu avea nici un fel de deteriorare a coroziunii. La fel de bune rezultate au fost obținute cu Yachtul contelui Darnley, Elizabeth și cu naveta de 650 de tone Castelul Carnebra. Fiecare navă era echipată pe pupa și prova cu două plăci de zinc reprezentând 1% din suprafața de cupru. Învelișul de cupru părea la fel de nou după ce naveta s-a întors din Calcutta.

La câțiva ani după moartea lui Davy, Faraday a examinat corodarea fontei în apă de mare și a constatat că aceasta se corodează mai repede la suprafața apei decât la adâncime. În 1834 a descoperit legătura cantitativă dintre pierderea de greutate la coroziune și curentul electric. Prin această descoperire a pus bazele științifice ale electrolizei și principiile protecției catodice.

Aparent fără cunoștință de experimentele lui Davy, inspectorul telegrafului din Germania, C. Frischen, a raportat, în cadrul unei întâlniri Architekten-und Ingenieur-Verein de la Hanovra în 1856, rezultatele unei anchete experimentale mai ample, pe o perioada lunga de timp, „în special, în ceea ce privește protecția metalului, fierul forjat, cel mai important și cel mai des utilizat, care constituie părțile cele mai importante ale structurilor mari, cum ar fi podurile, ecluzele, porțile etc.” Frischen a lipit sau a înșurubat bucăți de zinc pe fier ca protecție împotriva apei de mare și au concluzionat că „o protecție eficientă a fierului se datorează, fără îndoială, influenței electricității galvanice”. Cu toate acestea, realizarea unei tehnici de protecție practice și de succes ar fi necesitat multe experimente pe scară largă și prelungite.

Protecția catodică activă – cu injecție de curent (PCIC):

Este puțin cunoscut faptul că Thomas Alva Edison a încercat să obțină protecția catodică a navelor cu injecție de curent în 1890; cu toate acestea, sursele de curent și materialel anodice de care dispunea au fost inadecvate. In 1902, K. Cohen a realizat protecție catodica practica folosind curent continuu injectat. Directorul lucrărilor urbane din Karlsruhe, Herbert Geppert, a construit prima instalație de protecție catodică pentru conducte în 1906. Acesta a fost un generator de curent continuu de capacitate 10 V 12 A care protejează 300 m de conducte de gaz și apă aflate în câmpul electric a unei linii de tramvai [33]. Figura 1.8 prezintă principiul conform căruia H. Graeppert a obținut un brevet german în 1908.

Fig. 1.8. Schema pentru protecție catodică din brevetul lui H. Geppert din DRP Nr. 211612

Pentru a proteja cazanele cu abur și tuburile acestora de coroziune, E. Cumberland a utilizat curent catodic injectat, în America în 1905. Figura 1.9 a fost preluată din brevetul german corespunzător. În 1924, mai multe locomotive ale companiei de căi ferate din Chicago au fost dotate cu protecție catodică pentru a preveni coroziunea boiler-ului. Acolo unde înainte tuburile de încălzire ale cazanelor cu abur trebuiau reînnoite la fiecare 9 luni, "costurile au scăzut brusc după introducerea procesului electrolitic.” Anozi de aluminiu și injecție de curent continuu au fost utilizați de A. Guldager în Danemarca pentru protecția internă a instalațiilor de alimentare cu apă caldă. Protecția catodică a fost asigurată astfel în interiorul rezervorului de apă caldă și în țevile de legătură prin formarea unei pelicule de suprafață secundare.

Fig. 1.9. Protecție catodică internă din brevetul E.G. Cumberland din DRP nr. 247544.

Protecția prin utilizarea anozilor consumabili a fost numită „protecție electrochimică” la Congresul Institutului Metalelor din Geneva, în toamna anului 1913.

La începutul secolului XX, odată cu dezvoltarea oțelurilor inoxidabile, pasivitatea metalelor a devenit importantă din punct de vedere tehnic în protecția împotriva coroziunii. Într-o prezentare la expoziția internațională de inginerie chimică (ACHEMA) de la Frankfurt din 1958, s-a afirmat că, datorită pasivității metalice, a fost posibil progresul din epoca pietrei la epoca tehnologiei metalelor. Investigarea fenomenelor de pasivitate în anii 1930 și în special după Al Doilea Război Mondial a dus la investigații electrochimice și la cunoașterea faptului ca potențialul era o variabila importantă în reacțiile de coroziune. S-au înregistrat progrese semnificative în ceea ce privește tehnicile de măsurare, odată cu dezvoltarea potențiostat-ului în anii 1950 și a început o cercetare sistematică la nivel mondial a dependenței parametrilor de coroziune de potențial. A fost stabilită baza științifică pentru protecția electrochimică generală. Prin determinarea potențialului de limitare a apariției anumitor fenomene de coroziune, în special coroziunea locală, cum ar fi coroziunea în puncte și coroziunea în condițiile tensiunilor mecanice, această activitate a condus la conceptul de potențial de protecție.

Oțelurile inoxidabile pasive au oferit posibilitatea dezvoltării unei protecții anodice. Oțelurile cu aliaj înalt, similare oțelurilor cu carbon, nu pot fi protejate catodic în medii cu acizi puternici, deoarece evoluția hidrogenului împiedică scăderea necesară a potențialului. Cu toate acestea, oțelurile cu aliaj înalt pot fi însă pasive și menținute în stare pasivă prin protecție anodică. C. Edeleanu a fost primul care a demonstrat în 1950 că o polarizare anodică a carcasei pompei și a țevilor de legătură ar putea proteja un sistem de pompare din crom-nichel împotriva atacurilor cu acid sulfuric concentrat [38]. Gama neașteptat de largă de protecție anodică se datorează rezistenței ridicate la polarizare a oțelului pasiv. Locke și Sudbury au investigat diferite sisteme metalice/medii în care aplicarea protecției anodice a fost relevantă. În statele Unite existau în 1960 mai multe instalații protejate prin procedee anodice, de exemplu rezervoare de depozitare și vase de reacție pentru instalații de sulfonare și neutralizare. Nu numai că instalațiile au o durată de viață mai lungă, dar s-a realizat și o puritate mai mare a produselor. În 1961, protecția anodică a fost aplicată pentru prima dată pe o scară mare pentru a preveni fisurarea corozivă într-o instalație de electroliză cu sodă caustică din Aswan. S-a utilizat protecție anodică pentru rezervoarele de sodă caustică la scară largă de la sfârșitul anilor 1960 și metodele de protecție împotriva coroziunii electrochimice au devenit permanent importante pentru instalații industriale.

În secolul trecut, succesul protecției catodice a fost adesea o chestiune de șansă. În 1906, la inițiativa DVGW, F. Haber și L. Gold-Schmidt au studiat fundamentele științifice ale protecției catodice. Aceștia au recunoscut protecția catodică și coroziunea cauzată de curenții de dispesie ca fenomene electrochimice și circuitul bine-cunoscut al Haber pentru măsurarea densității curentului, densității solului, rezistenței solului și potențialului de țevi/sol este descris în Zeitschrift fur Elektrochemi. Haber folosește electrozi nepolarizați de sulfat de zinc pentru a măsura potențialul. Doi ani mai târziu, McCollum a utilizat primul electrod de sulfat de cupru, care de atunci a reușit în general să măsoare potențialul instalațiilor îngropate. Între 1910 și 1918, O. Bauer și O. Vogel de la stația de testare a materialelor din Berlin au determinat densitatea necesară a curentului pentru protecția catodică. În 1920, cablul Rhineland din apropiere de Hanovra a fost deteriorat de coroziune ca urmare a factorilor geologici din sol, iar pentru prima dată în Germania plăcile de zinc au fost încorporate în axele cablurilor pentru a proteja învelișul metalic. Protecția fierului prin curent electric a fost în cele din urmă subiectul unei disertații în 1927.

Până în 1920, tehnologia de sudură ajunsese într-un stadiu în care sudurile sigure puteau fi produse în mod fiabil și, în consecință, se puteau construi magistrale de conducte sudate continuu. Astfel, nu a existat nimic care să împiedice aplicarea pe scară largă a protecției catodice. Peterson a raportat un proces electric de protecție a conductelor împotriva ruginii care a oferit de asemenea o protecție excelentă împotriva curenților de sol într-un câmp petrolier din Galicia.Faptul ca acest raport nu a dus la utilizarea protecției catodice, a fost probabil vina constructorilor orientați spre inginerie ai rețelelor de țevi, care considerau protecția electrochimica ca fiind o artă neagră. Chiar si inginerii din domeniul electric supraestimau costurile procesului și pericolul pentru alte conducte de la curenții aplicați. În schimb, s-a încercat îmbunătățirea rezistenței materialelor de acoperire a țevilor pentru soluri agresive și reducerea pericolului de coroziune cauzate de curentul de dispesie prin îmbinări izolante.

Protecția catodică a conductelor nu s-a dezvoltat în Germania, dar aceasta a fost aplicată începând cu 1928 în Statele Unite. Robert J. Kuhn, este numit "Tatăl Protecției Catodice" din America. El a instalat primul redresor de protecție catodică activă în 1928 pe o conductă de gaz de mare distanță din New Orleans, inaugurând astfel prima aplicare practică a protecției catodice a conductelor. În 1923, E. R. Shepard din New Orleans a deturnat curenți de dispersie puternici generați de tramvai cu un sistem de drenaj electric. Gama de protecție a conductelor din fontă obișnuită cu racorduri slab conductoare nu s-a extins până la capătul conductei, astfel încât Kuhn a introdus redresoare de protecție suplimentare. El a constatat, prin experimente, că un potențial de protecție de 0.85 V. aplicat unui electrod saturat de cupru/sulfat de cupru, a oferit o protecție suficientă împotriva oricărei forme de coroziune. La Conferința de la Washington pentru protecția anti coroziune organizată de Biroul Național de Standarde în 1928, Kuhn a prezentat valoarea semnificativă a experimentelor sale, pe care se bazează întreaga tehnologie modernă de protecție catodică. La acea vreme, exista o îndoiala considerabilă în mintea oamenilor de știință americani în ceea ce privește cauzele coroziunii conductelor îngropate. Prezentarea lui Kuhn a fost singura care a abordat coroziunea rezultată din formarea de celule galvanice. Aceasta conținea descrierea unui proces care a împiedicat coroziunea prin aplicarea unui curent continuu redresat, adică prin protecție catodică. Kuhn a scris: "Aceasta metodă nu a fost aplicată exclusiv pentru prevenirea coroziunii, ci pentru a elimina coroziunea electrolitică a conductei, care rezultă din curenții vagabonzi ai vehiculului de stradă prin scurgere electrică". Această aplicație arătase că țevile nu erau doar conducte protejate împotriva electrolizei curentului vagabond, dar și împotriva curenților de celulă galvanică și astfel împotriva coroziunii generate de sol. Experimentul a arătat că, în medie, între 10 și 20 mA x m-2 densitatea curentului de protecție a fost suficientă pentru a micșora potențialul conductei la o valoare la care nu s-a mai produs corodarea.

Unii experți încă priveau experimentele cu scepticism. Institutul American de petrol din Los Angeles a declarat în 1935 că curenții galvanici de protecție de la anozii de zinc nu mai pot proteja conductele pe distanțele tot mai mari utilizate și că protecția împotriva atacurilor chimice, cum ar fi a acizilor, ar fi cu siguranță imposibilă. Deoarece conductele din America au fost în mare parte puse fără nici o acoperire izolantă până în secolul actual, protecția catodică a acestor conducte s-a dovedit relativ scumpă și a necesitat curenți de protecție considerabili. Prin urmare, nu este surprinzător că la începutul anilor 1930, numai aproximativ 300 km de conducte din America au fost protejate de anozi de zinc și 120 km de curent injectat. Printre acestea se numără conductele din Houston, Texas, și Memphis, Tennessee, care au fost protejate catodic de Kuhn între 1931 și 1934. La începutul anului 1954, I. Denison a primit premiul Whitney de către Asociația Națională a Inginerilor de Coroziune. Descoperirea lui Kuhn a fost prezentată din nou publicului, pentru că în discursul său de acceptare, Denison a explicat: "În prima conferință de protecție împotriva coroziunii din 1929 Kuhn a descris modul în care potențialul unei conducte a fost scăzut la -0,85 V. față de un electrod saturat de cupru/sulfat de cupru, folosind un redresor. Nu trebuie să vă reamintesc că această valoare este criteriul acceptat relativ la potențial pentru protecția catodică utilizată în prezent în întreaga lume”.

Smith a raportat în 1940: "Protecția catodică utilizată în Statele Unite a avut un succes realtiv și critici de intensitate diferită. Eșecul este cauzat parțial de o evaluare greșită a regiunii active și parțial de o planificare insuficientă și funcționarea instalației care urmează să fie protejată. Este parțial eșecul de a recunoaște faptul că procesul împotriva coroziunii din cauza curenților de sol de valoare mare și cu domeniu larg de variație care rezultă din curenții de dispersie generați de instalațiile D.C. cu corespunzător potențial mare de a oferi protecție împotriva lor, nu poate avea succes decât dacă acești curenți sunt drenați suplimentar. Procesul de protecție catodică este relevant numai pentru conductele de petrol, gaze și apă împotriva atacurilor solului în zonele în care nu există curenți vagabonzi. Nici compoziția solului, nici clima nu pot afecta acțiunea mediului de protecție dacă curentul anodic este suficient pentru a reduce cu aproximativ 0.3 V potențialul față de sol a conductei de protejat.”

Prima instalație anodică pentru protecția catodică a conductelor de gaz din New Orleans a fost compusă dintr-un tub din fontă orizontală, cu lungime de 5 m. Mai târziu, se utilizau linii vechi de tramvai. Deoarece în centrul New Orleans nu există un loc potrivit pentru instalarea anozilor pentru injecție de curent și pentru a evita efectele negative asupra altor conducte, Kuhn a recomandat utilizarea anozilor de adâncime care au fost instalați pentru prima dată în 1952 la o adâncime de 90 m. Primii anozi de adâncime au fost instalați în Hamburg în Germania în 1962 de F. Wolf (fig. 1.10).

Fig. 1.10. Primul anod de adîâncime pentru protecția catodică în Germania.

Publicațiile privind protecția catodică a conductelor au devenit cunoscute în Europa la sfârșitul anilor 1920. În Belgia, drenajul curenților de dispersie a fost practicat pe scară largă. L. de Brouwer a protejat liniile de alimentare cu gaz din Bruxelles începând cu 1932 și în 1939 plăcile de bază ale unui gazometru vechi au fost, de asemenea, protejate cu curent injectat. În Germania, în 1939 s-a realizat următorul raport privind protecția catodică a conductelor: "Trebuie luate mai întâi următoarele măsuri de precauție împotriva curenților de dispersie pentru a preveni scurgerea de curent din șine în pământul din jur. Pe conductă se recomandă să-i fie prevăzută o teacă dublă și să alegeți legături izolante electrice pentru a ridica rezistența izolației la o distanță de aproximativ 200 m de fiecare parte a încrucișării șinelor. O legătură conductoare între conductă și calea feroviara trebuie efectuată cu cea mai mare atenție, astfel încât să nu se producă o acțiune inversă”. Din publicațiile sovietice privind protecția catodică, se pare că în URSS în jurul anului 1939 existau peste 500 de instalații protejate catodic; judecând după numărul lor, aceștia au utilizat anozi de sacrificiu. în Marea Britanie a apărut protecția catodică a conductelor prin anozii de sacrificiu după 1940. În 1949, în Germania, rețeaua de alimentare cu apă a minelor de cărbune maro Brunswick a fost protejată catodic de plăci de zinc de către W. Ufermann. Figura 1.11 prezintă instalația de protecție catodică din apropiere de Bogenheim, care a fost instalată împreună cu alte măsuri de protecție împotriva curentului de dispersie de Saar-Ferngas în 1952. În 1953, la Duisburg-Hamborn și în 1954 la Hamburg, au fost instalate anumite sisteme de curent impresionat catodic pentru a proteja părți limitate de linii vechi de gaz de mare distanță. După 1955, acestea au fost extinse la toate conductele și, în special, la noile linii de aprovizionare cu gaze instalate pe distanțe lungi. Cu toate acestea, în ciuda avantajelor evidente ale protecției catodice, chiar și în cazul rezervoarelor de stocare cu un singur perete îngropate în sol, abia în 1972 a fost adoptată o directivă.

Fig. 1.11. Redresor de protecție catodică fabricat în Franța (1952) la Bogenheim din Palatinat.

În ultimii ani, tehnica a evoluat de la protecția catodică localizată la protecția catodică a instalațiilor subterane ale centralelor electrice întregi și ale centralelor industriale. Din 1974, protecția catodică este obligatorie în Germania pentru conducte de gaze cu presiuni de peste 4 și 16 bari (Instrucțiunile DVGW G462 și, respectiv, 463) și pentru conductele de petrol, în conformitate cu orientările pentru transport de lichide periculoase prin conducte de mare distanță (TRbF* 301).

Standardul de bază pentru protecția catodică a fost stabilit pentru prima dată în DIN 30676, în care sunt menționate toate domeniile de aplicare ale diferitelor ramuri de protecție. Cel mai important punct este tehnica de măsurare precisă a potențialului obiectului/solului. Metoda obișnuită de măsurare a off potențialului pentru instalațiile subterane, a fost implementată și pusă în aplicare încet în Europa începând cu anii 1960.

1.4 Dezvoltarea protecției împotriva curenților de dispersie

Primele informații despre influența distructivă a curenților de dispersie au ajuns in Europa din America cu puțin timp înainte de sfârșitul secolului. Electroliza curenților de dispersie, ca un nou risc de coroziune pentru țevile îngropate, ca urmare a creșterii surselor casnice de curent continuu și a construcției de căi ferate alimentate cu curent continuu, a devenit, de asemenea, evidentă în Germania. Werner von Siemens a introdus la Expoziția de Comerț din 1879 de la Berlin (Gewerbeausstellung) prima cale ferată electrică pe bază de curent continuu din lume. Primul tramvai electric de la Berlin-Lichterfelde funcționa doi ani mai târziu, folosind o șină pozitivă și una negativă, cu o tensiune de funcționare de 140 V. În 1882, Siemens a instalat un serviciu experimental de tramvai cu alimentare pe plafon (pantograf) , care a pornit de la Westend la Spandauer Bock. Linia a fost inițial echipată cu două cabluri aeriene, astfel încât să se prevină evacuarea curenților vagabonzi în sol. Din păcate, nu a fost posibilă menținerea acestui sistem.

Prima cale ferată subterană din lume a fost deschisă la 10 ianuarie 1863 în orașul Londra, utilizând locomotive cu aburi. Prima linie cu tracțiune electrică și un sistem cu trei șine a fost construită în 1890. Sistemul cu patru șine, aflat încă în uz în prezent și constând din două șine izolante pentru conductori și două șine de circulație, a fost introdus în 1903 în cursul electrificării vechilor linii de aburi. Compania Metropolitană, responsabilă pentru o parte a liniei, a utilizat curent alternativ, în timp ce Calea Ferată Districtuală a preferat curentul continuu ca urmare a legăturii cu căile ferate americane. Această dispută a fost prezentată în fața unui tribunal de arbitraj britanic în 1900. Problema coroziunii liniilor publice de alimentare de curentul continuu care se reîntorcea din locomotivele de tren electric era deja foarte cunoscută ca urmare a dificultăților considerabile întâmpinate în America, iar avantajul sistemului cu curent altrenativ era că aceste inconveniente au fost eliminate. Arbitrii au rezolvat problema recomandând utilizarea curentului direct de 600 V și, de asemenea, amplasarea unei șine izolată de șinele de rulare pentru curentul de întoarcere.

Primele deteriorări grave cauzate de coroziunea electrică în domeniul șinelor de tramvai au apărut în 1887, la Brooklyn, pe țevi de fier forjat, iar în vara anului 1891 la Boston, pe tecii de plumb ale cablurilor telefonice. Prima comisie de investigare a fenomenului curenților vagabonzi a fost stabilită în America. Comisia a constatat că există diferențe considerabile între țevi și căile ferate electrificate și că țevile sunt puse în pericol în pozițiile „unde sarcina este pozitivă și curentul iese în afară în mediul predispus la electroliză”. S-a constatat experimental de către Flemming că suprafețele de fier care au fost îngropate în nisip umed cu un potențial de 0.5 V și un curent de 0.04 A sunt vizibil corodate doar după câteva zile. Prima instalație de descărcare a curentului continuu de dispersie a fost instalată în 1895 de E. Thompson pentru linia de tramvai din Brooklyn, în încercarea de a muta curentul continuu de dispersie înapoi pe șine, fără efecte nocive. Totuși, acest lucru a cauzat ocazional o creștere atât de puternică a curenților de dispersie încât aceștia au topit garniturile de plumb ale articulațiilor.

Încă din 1895, în cursul electrificării liniei de tramvai Aachen, în cadrul unui subsistem de redresare din Germania, s-a instalat o instalație de descărcare a curentului continuu de dispersie. Protecția eficientă s-a extins pe un câmp relativ mic, deoarece rezistența relativ mare a articulațiilor țevilor nu a permis o extindere mai mare a protecției.

Inginerul electric M. Kallmann din Berlin a relatat în 1899 despre un sistem de control al curenților vagabonzi ai căilor ferate electrice. Încă din 1894, Consiliul pentru Comerț din Londra a emis un regulament de siguranță pentru căile ferate electrice britanice, care specifica o diferență de potenția de maximum 1.5 V, unde conducta era pozitivă realtiv la șine, dar 4.5 V pentru șine pozitive. S-au efectuat cercetări ample, privind reducerea riscului de curent de dispersie în sol prin conexiuni metalice de la țevi la șine. Cu toate acestea, după cum a menționat un scriitor, "o astfel de procedură pe aceste linii trebuie descurajată în mod categoric, deoarece transportă sămânța distrugerii sale".

Jurnalul fur Gasbeleuchtung menționează pagubele coroziunii electrolitice cauzate de cablurile de curent continuu din Berlin în anul 1892, iar câțiva ani mai târziu au fost raportate daune provocate de curentul liniilor de tramvai în 14 de orașe germane. Încă din 1894, procesele electrolitice de coroziune ale curentului de dispersie au fost explicate în detaliu în acest jurnal de către G. Rasch.

În 1910, o comisie mixtă a asociațiilor de electricieni germani și ingineri de gaz și apă a emis reglementări pentru protecția conductelor de gaz și apă împotriva influenței dăunătoare a curentului din căile ferate electrificate cu curent continuu care au utilizat șinele ca și conductori. Acestea au interzis însă întoarcerea în mod direct a curenților de dispersie în șine. S-a încercat reducerea curenților vagabonzi prin încorporarea îmbinărilor izolatoare și îmbunătățirea acoperirilor conductelor. Acest lucru a fost limitat în principal la punctele în care liniile de tramvai au fost traversate pentru a face economii de flanșe izolante. Acest lucru a dus adesea la noi puncte sursă pentru curentul de dispersie în flanșele izolante. Pentru a evita conectarea directă cu șine de tramvai, care era interzisă în zone cu curent de dispersie, s-a făcut o conexiune de ieșire la țevi de protecție neacoperite sau la grinzi de fier îngropate alături de șine. A fost recunoscut foarte curând faptul că problema nu putea fi rezolvată în acest mod. Doar în 1954 a fost stabilită o nouă versiune a VDE* 0150 în Republica Federală Germania, pentru obligativitatea modificării conducătorii de curent de dispersie și instalațiile de descărcare instalate din 1950. În 1966, un grup comun pentru probleme de coroziune, Asociația Arbeitsgemeinschaft fur Korrosionsfragen – Afk (Asociația Muncii pentru Întrebări despre Coroziune) și Consiliul de Arbitraj pentru Probleme Relevante, au decis asupra măsurilor pentru a proteja conductele împotriva efectelor crescute de înaltă tensiune prin utilizarea unor acoperiri mai bune.

Principiile de drenare a curentului de dispesie de către redresor, așa cum sunt practicate astăzi, depind de protecția catodică cu injecție de curent, descrisă de H. Graeppert. În brevetul său, Graeppert s-a referit la faptul că vor fi compensați curenții vagabonzi care se scurg dintr-o conductă și menționează, de asemenea, posibilitatea unei conexiuni directe a sursei de curent de protecție cu șinele. O conexiune directă fără injecție de curent suplimentar între conducte și șine este suficientă numai cu șine negative permanente, de exemplu în apropierea instalațiilor redresoare. Încă din 1930, la Milano și Torino existau 25 de instalații de drenare de curenți vagabonzi pentru cablurile de poștă. Este necesar să se instaleze blocuri de retur de curent în conexiunile unde șinele devin chiar și temporar pozitive. În 1934, L. de Brouwer, inginer șef al Distrigaz Belgia, a instalat unul dintre primele relee polarizate la Fontaine-l'Eveane lângă Bruxelles. Prin instalarea redresoarelor într-o conexiune temporară de descărcare la Berlin în 1942, a fost blocat curentul invers. Figura 1.12 prezinta unul dintre primele relee de scurgere din Germania, care au fost instalate pentru protecția unei conducte de distanță mare în apropiere de Immigrath în 1953.

Fig. 1.12. Primul releu polarizat pentru drenajul curentului de dispersie la Immigrath în Germania, 1953.

Un redresor de protecție între conducte și șine, instalat de Kuhn în 1928, a fost precursorul drenajului modern forțat. Această formă de scurgere controlată a curentului de dispersie a fost dezvoltată în continuare, în special în Franța, în combinație cu releele de curent de dispersie. Primul astfel de drenaj polarizat a fost instalat la Bad Diirheim în 1975 și avea un aspect similar cu redresorul de protecție catodică din Bogenheim, prezentat în Fig. 1.11. În prezent, redresoarele de tensiune controlate sunt utilizate în principal pentru drenarea curentului de dispersie. Primul dintre aceștia, în Wuppertal-Cronenberg, a realizat curenți de vârf mai mari de 200 A între 1961 și 1970.

1.5. Bibliografie

[1] von Baeckmann W., Schwenk W., Prinz W., & All (1997), Handbook of Cathodic Corosion Protection, Third Edition, Gulf Publishing Company, Houston, TX

2. GENERALITATI DESPRE APLICATIE: PROTECTIA CATODICA IN INDUSTRIE

Protecția catodică poate fi, în principiu, aplicată oricărei structuri metalice în contact cu un electrolit compact. În practică, principala sa utilizare este protejarea structurilor de oțel îngropate în sol sau cufundate în apă. Nu poate fi utilizat pentru a preveni coroziunea atmosferică.

Structurile protejate în mod obișnuit sunt suprafețele exterioare ale conductelor, corpurile navelor, debarcaderele, stâlpi de fundație, stâlpi din tablă de oțel și platformele offshore. Protecția catodică este utilizată și pe suprafețele interioare ale rezervoarelor de stocare a apei și a sistemelor de circulație a apei. Cu toate acestea, întrucât un anod extern va răspândi rareori protecția pe o distanță mai mare de două sau trei diametre de țeavă, metoda nu este potrivită pentru protecția conductelor cu alezaj mic.

Protecția catodică a fost, de asemenea, aplicată oțelului încorporat în beton, aliajelor pe bază de cupru din sistemele de apă și, în mod excepțional, cablurilor învelite cu plumb și aliajelor de aluminiu, unde potențialele catodice trebuie controlate foarte atent.

2.1. Cum funcționează protecția catodică în soluri; protecția catodică a conductelor

Celulele de concentrare, cum sunt prezentate în Fig. 2.1 sunt responsabile pentru o mare parte din coroziunea care are loc în soluri. Conductele, de exemplu, trec prin diferite soluri pe drumul lor prin pământ. Carcase pentru puțuri de petrol și gaze pătrund în diferite straturi de compoziții diferite. În fiecare caz în care două soluri diferite sunt în contact cu o singură bucată de metal, este posibilă o celulă de concentrație.

În cele mai multe cazuri care apar în soluri naturale, acea porțiune de țeavă situată în solul mai conductor este anodul și în porțiunea în sol mai puțin conductor este catodul. Solurile umede se comportă ca electrolitul și conducta oferă circuitul de conectare. Ca în figura de mai sus, curentul curge din zona anodică la sol, apoi prin sol spre zona catodică unde vine înapoi prin conducta în sine pentru a finaliza circuitul. Pentru o situație dată, cantitatea de curent care curge este limitată de factori cum ar fi rezistivitatea mediului și gradul de polarizare la zonele anodice și catodice.

Fig. 2.1 Conductă în gropată în doua tipuri de sol

Coroziunea apare acolo unde curentul se descarcă din structura metalică în sol în zone anodice. În cazul în care curentul circulă dinspre mediu spre țeavă (zone catodice), nu există coroziune. Atunci când se aplică protecția catodică la o structură, obiectivul este de a forța întreaga suprafață a structurii expuse la mediu să ia curent de la mediul în care se află. Când această condiție a fost atinsă, suprafața expusă devine un catod, iar coroziunea este apoi atenuată cu succes. Acest lucru este ilustrat în Fig. 2.1, care arată modul în care secțiunea de corodare inițială a țevii utilizată devine un catod cu anularea tuturor zonelor de curent cu descărcare de pe suprafața țevii.

Curentul de protecție catodică trebuie să curgă în mediu printr-o conexiune specială în sol (numită de obicei ”groundbed”) stabilită în acest scop. Prin definiție, materialele utilizate sunt anozi, și consumul de material (coroziune) trebuie să apară. Prin urmare, coroziunea nu a fost cu adevărat eliminat prin aplicarea protecției catodice, dar mai mult sau mai puțin transferat din structura care trebuie protejată în locații cunoscute (anozi) concepute pentru a descărca curentul de protecție catodică pentru o perioadă de timp rezonabilă și care, atunci când este consumat, poate fi înlocuit fără întreruperea funcției normale a structurii protejate.

Fig. 2.2

Deși principiul de bază al aplicării protecției catodice este destul de simplu, trebuie rezolvate unele întrebări practice, cum ar fi:

Care este curentul minim necesar pentru a proteja o anumită structură?

Ce sursă de curent continuu ar trebui utilizată?

Cum ar trebui să fie proiectată instalația de fapt?

Cum se poate constata, pe o structură complet îngropată, dacă întreaga suprafață a structurii a fost sau nu făcută un catod?

Există limitări ale ceea ce poate face protecția catodică. Curentul de protecție catodică trebuie să poată curge printr-un mediu conductor pe suprafața metalică protejată. O instalație de protecție catodică simplă, cum este prezentată în Fig. 2.2 ar proteja numai acele suprafețe externe ale țevii care sunt în contact cu mediul conductor. Suprafețele interne ale conductei nu vor primi protecție. Acest lucru ar rămâne valabil chiar dacă conducta conținea un material conductor, deoarece conducta metalică ar intercepta curentul de protecție și pur și simplu l-ar transporta înapoi la sursa sa. În mod similar, orice porțiune ale sistemului de conducte în aer (cum ar fi porțiunile de deasupra solului, supape, etc) nu pot primi nici un curent de protecție catodică, deoarece aerul nu va transporta curent la suprafețele neîngropate.

Un alt exemplu în care protecția catodică are limitări importante este pentru sistemele congestionate pentru care fluxul de curent electric către structurile cele mai interioare este limitat. Este posibil ca și curentul de protecție care ajunge la structuri ascunse să nu fie suficient pentru a le proteja în mod adecvat, chiar dacă suprafețele cele mai exterioare ar fi complet protejate. Aceasta este denumită ecranare electrică deoarece suprafețele structurii metalice de pe porțiunile exterioare ale zonei aglomerate interceptează fluxul de curent de protecție și, prin urmare, ecranează structurile cele mai interioare. Conductele din zonele aglomerate, cum ar fi stațiile de pompare și parcurile de rezervoare, pot întâlni o astfel de ecranare.

O soluție pentru protecția catodică a unei rețele de conducte dintr-o zonă cu restricții, este să fie protejată de o rețea de anozi la distanță (remote groundbed). Patul de sol la distanță și redresorul de dimensiuni corespunzătoare pot modifica potențialul întregii structuri suficient pentru a oferi o indicație de protecție completă atunci când este măsurată în raport cu un electrod de referință la distanță

2.1.1 Protecția catodică cu injecție de curent a conductelor

Cu sistemul PCIC prezentat în Fig. 2.2, anozii din sol nu furnizează cu adevărat curentul necesar pentru proteție. Se observă ca o sursă externă de curent electric continuu de injecție (redresor) este conectată între structura care urmează să fie protejate și anozi. Borna pozitivă a sursei de alimentare este conectată la rețeaua de anozi, care este apoi forțată să descarce cât mai mult curent de protecție catodică, după cum este de dorit. Dacă se face o greșeală și borna pozitivă este conectată eronat la structura care urmează să fie protejată, structura va deveni un anod în loc de catod și va coroda în mod activ.

Anozii de injecție forțați să descarce curent de pretecție se vor coroda. Este important să se furnizeze materiale anodice care sunt consumate la rate relativ scăzute și, astfel, permite proiectarea anozilor de injecție care pot descărca cantități mari de curent și au încă o speranță lungă de viață.

2.1.2. Paturi anodice (groundbed)

Tipul de pat anodic utilizat într-o aplicație este un element cheie al proiectului PCIC. Paturile anodice sunt localizate fie în apropierea structurii protejate, fie la distanță, pentru a distribui curentul peste zona care conține structurile ce urmează să fie protejate. Straturile anodice sunt clasificate după cum urmează:

Sistem cu strat anodic distribuit local

Sistem vertical cu strat anodic distribuit

Sistem orizontal cu strat anodic distribuit

Sistem de pat anodic profund

Sistem de pat anodic la distanță

2.1.3. Umplutură pentru anozi (backfill)

Umplutura chimică este utilizată pe scară largă pentru a înconjura anozi galvanici atunci când sunt îngropați în pământ. Există mai multe avantaje în acest sens. Umplutura specială oferă un mediu uniform pentru a promova consumul uniform de anozi și eficiența maximă. Izolează materialul anodic de contactul direct cu pământul, prevenind astfel efectele negative ale mineralelor din sol care altfel ar putea genera filme de înaltă rezistență pe suprafața anodului. Are o rezistivitate electrică scăzută care oferă o rezistență mai mică la anod-pământ și o ieșire mai mare de curent pentru cazurile în care solul înconjurător este de rezistivitate mai mare.

Pentru sistemele anodice PCIC din sol, este o practică obișnuită utilizarea unei umpleri de cocs sau grafit pentru anozii înconjurători. Există două avantaje în acest sens. Unul dintre acestea este că grafitul sau cocsul adecvat au o rezistivitate electrică foarte scăzută (mai scăzută decât majoritatea solurilor) și contribuie la producerea unei rezistențe scăzute între anod și pământ. Al doilea avantaj este că, dacă cocsul sau grafitul sunt ambalate solid în jurul anodului de curent de injecție, cea mai mare parte a curentului evacuat de anod trece de la anod la umplutură prin contact direct între materialul anodic și particulele de umplere. Aceasta reduce rata de consum a anodului. Descărcarea curentului de pe suprafețele exterioare ale coloanei de umplere va consuma, totuși, materialul de umplere într-un ritm lent. Rezultatul net este o rezistență mai mică, o instalare anodică cu durată de viață mai lungă decât fără prezența de umplere. De la furnizori sunt disponibile materiale adecvate de cocsificare sau de umplere cu grafit.

2.2 Cum funcționează protecția catodică în apă; protecția catodică a vapoarelor

Principiul de bază al tuturor tehnicilor de protecție catodică este că reacțiile anodice nedorite de coroziune sunt blocate prin aplicarea unui curent de sens opus, forțând anozii locali să fie polarizați la potențialul catozilor locali, prin urmare, înăbușind celulele de coroziune. Dacă se furnizează mai puțin decât această cantitate de curent catodic, ar mai apărea o anumită coroziune, dar nivelul de coroziune ar fi mai mic decât fără protecție catodică. Din punct de vedere termodinamic, aplicarea unui curent de protecție catodică reduce practic rata de coroziune a unei structuri metalice prin reducerea potențialului de coroziune spre starea sa de imunitate. Cele două metode principale de realizare a acestui obiectiv sunt:

Folosind anozi de sacrificiu care au un potențial de coroziune mai mic decât metalul care urmează să fie protejat. Acest grad de protecție poate fi obținut prin consultarea seriei galvanice a apei de mare.

Folosind o protecție catodică cu injecție de curent (PCIC), asigurată de o sursă de curent extern.

Aceste scheme simple neglijează o componentă importantă care poate fi un instrument util de monitorizare pentru sistemele de protecție catodică de sacrificiu, dar este o necesitate pentru PCIC pentru care controlul potențialului aplicat unei structuri protejate este esențial. Acest instrument denumit electrod de referință, este menționat în secțiunile următoare.

Protecția catodică cu injecție de curent a navelor

PCIC a navelor este întotdeauna utilizat în combinație cu acoperiri de protecție. Acoperirile sunt destinate ca protecție primară, iar PCIC este o rezervă în acele zone în care pot fi prezente defecte de acoperire. În perioada imediat următoare aplicării acoperirii de protecție, există foarte puțină cerere a sistemului de injecție de curent. Pe măsură ce acoperirea se deteriorează pe durata de viață operațională a navei, cererea de curent de protecție catodică crește. În cele din urmă, curentul necesar pentru protecție poate depăși capacitățile instalației, cu curenți anodici ridicați care provoacă chiar mai multe daune acoperirii, în special în zonele adiacente anozilor, în cazul în care concentrația de ioni hidroxil poate fi foarte mare. În plus, valorile mari ale curenului din jurul anozilor pot reduce protecția oferită restului structurii.

Pe un supertanc, curentul inițial de 10 A poate crește la peste 1000 A pe parcursul duratei sale de funcționare. Modele moderne de PCIC montate pe vapoare plasează de obicei anozi în dispoziții simetrice, dar pentru vasele de transport marfuri vrac, există o nevoie pentru acces intern și trasee de cabluri poziționate departe de anozii și electrozii de referință. Acest lucru împiedică de obicei amplasarea electrozilor în exteriorul rezervoarelor. În schimb, componentele electronicele sunt amplasate fie cu mult înainte, fie cu mult înapoi, unde sălile mașinilor adiacente oferă acces convenabil la diferitele piese de echipament. Există mai multe motive pentru care sistemele potențiostatice nu reușesc frecvent să ofere o protecție adecvată [8]:

Efectul galvanic al elicelor din bronz nevopsite

Viteze variabile ale apei de mare

Creșterea expunerii oțelului neizolat ca urmare a vopselei deteriorate

Monitorizarea electrozilor de referință numai în imediata apropiere a acestora

Poziționare necorespunzătoare a zonelor, electrozi de referință față de anozi

Zona subacvatică a unei nave este un catod mare complex, cu cel puțin trei componente: Oțel vopsit, oțel neizolat și bronz. Acestea au cerințe diferite de densitate a curentului pentru obținerea polarizării dorite și răspund diferit la schimbările condițiilor de funcționare, în special debitul apei de mare.

Anozii cu PCIC sunt puțini ca număr și foarte mici în raport cu suprafața catodică, astfel distribuția potențialului de la ei este inevitabil inegală. În procesul de proiectare, dificultatea de a cunoaște distribuția potențială preconizată a structurii conduce la utilizarea măsurătorilor densității actuale ca mijloc de evaluare. Cu toate acestea, multe echipamente PCIC pentru nave utilizează nu mai mult de doi sau trei electrozi de referință, iar acești electrozi pot măsura potențialul numai în vecinătatea lor adiacentă. Poziția acestora este critică pentru funcționarea efectivă a sistemului.

2.3 Cum funcționează protecția catodică în beton; protecția catodică a armăturilor din oțel

Principalele cauze ale coroziunii oțelului în beton sunt atacul clorurilor și carbonatarea. Aceste două mecanisme sunt neobișnuite în faptul că nu atacă integritatea betonului. În schimb, aceste substanțe chimice agresive trec prin porii din beton și atacă oțelul. Acest lucru este diferit de procesele normale de deteriorare din cauza atac chimic în beton.

Cele mai multe probleme asociate cu coroziunea oțelului în beton nu se datorează pierderii directe a oțelului, ci creșterii produselor de oxid de coroziune care pot duce în cele din urmă la crăparea și spargerea cămășii de beton. Prăbușirile structurale ale structurilor din beton armat din cauza coroziunii sunt rare. Cea mai frecventă problemă cauzată de coroziune este reprezentată de crăparea cămășii de beton, care a provocat câteva decese și accidente în istoria recentă.

O serie de măsuri fundamentale pot fi luate pentru a aborda problema coroziunii oțelului-beton. Cu toate acestea, trebuie făcută o distincție importantă în ceea ce privește aplicabilitatea măsurilor de remediere între structurile noi și cele existente.

Fig. 2.3 Efectele coroziunii la stâlpi de beton armat

Din păcate, opțiunile din următoarea listă de măsuri de remediere sunt mai limitate pentru fixarea structurilor de îmbătrânire existente decât pentru proiectarea de construcții noi:

Repararea betonului deteriorat

Modificarea mediului extern, de exemplu alegerea unui alt agent de degivrare sau schimbarea practicilor de degivrare a sării (totuși, aceasta nu va elimina sarea care este deja în beton).

Modificarea mediului intern de beton, de exemplu, realinierea betonului, extracția clorurii, adăugarea inhibitorilor de coroziune și așa mai departe.

Crearea unei bariere între beton și mediul extern.

Crearea unei bariere între oțelul armat și mediul intern din beton, de exemplu, acoperirea epoxidică și galvanizarea.

Aplicarea protecției catodice la structura armată

Alternativ, mai multe materiale armate rezistente la coroziune, de exemplu, oțel inoxidabil.

Metode alternative de armare, de exemplu, compozite polimerice armate cu fibre.

Protecția catodică cu injecție de curent a armăturilor din beton

PCIC constă în polarizarea armaturii cu o sursă de curent continuu (redresor) către un potențial catodic unde dizolvarea anodică a armaturii este redusă la minimum. Sunt disponibile trei metode de bază pentru controlul ieșirii unui redresor:

Mod curent constant: În acest mod redresorul menține o ieșire de curent constantă. Tensiunea de ieșire variază apoi în funcție de modificările rezistenței circuitului. Potențialul oțelului de armare poate fi măsurat cu o celulă de referință ca funcție a curentului aplicat pentru a asigura îndeplinirea anumitor criterii de protecție.

Mod de tensiune constantă: În acest mod, o tensiune de ieșire constantă este menținută de redresor. Curentul aplicat se modifică apoi cu variații ale rezistenței circuitului. Rezistența scăzută la beton, asociată adesea cu un risc crescut de deteriorare din cauza coroziunii, poate duce la creșterea cantității de curent rezultat. Trebuie remarcat faptul că, în acest mod, potențialul armăturii nu este neapărat constant. Acesta poate fi monitorizat din nou cu o celulă de referință.

Mod de potențial constant ar armăturii: În acest mod, ieșirea de curent este reglată continuu pentru a oferi un potențial de armare constant (preselectat). O metodă care poate fi utilizată pentru betonul scufundat în care potențialele sunt relativ uniforme și stabile, potențialul armăturii, măsurat continuu cu electrozi de referință, este transmis înapoi la unitatea redresoare. Funcționarea cu succes în acest mod depinde de minimizarea erorii de cădere de tensiune IR în măsurătorile potențialui armăturii și pentru precizia și stabilitatea electrozilor de referință în timp.

O problemă importantă în PCIC al oțelului din armătură este cât de mult curent ar trebui să fie injectat între oțelul de armare și anod. Un curent prea mic va duce la o protecție inadecvată la coroziunii armăturii, în timp ce un curent prea mare poate duce la probleme precum fragilitatea acidă și degradarea betonului. Fragilitatea acidă a oțelului de înaltă rezistență este o problemă deosebit de gravă pentru sistemele de beton pretensionat și post-tensionat. Densitățile de curent implicate în îndeplinirea criteriilor de protecție utilizate în mod obișnuit sunt de obicei în jurul valorii de 10 mA/m2 de suprafață armată. Uniformitatea în distribuția curentului este, evident, o caracteristică de dorit.

Din păcate, cerința de curent nu poate fi măsurată direct și au fost propuse diverse criterii indirecte (tabelul 13.1). Cerințele actuale ale ICCP sunt adesea exprimate în ceea ce privește potențialul oțelului de ranforsare față de un electrod de referință sau, alternativ, ca o schimbare a acestui potențial atunci când sistemul ICCP este activat sau dezactivat. Electrozii de referință pot fi amplasați extern, fiind în contact cu suprafața exterioară din beton sau pot fi integrați direct în beton cu armatura.

BIBLIOGRAFIE

A.W. Peabody, Edited by Ronald l. Bianchetti, Peabody’s Control Of Pipeline Corrosion Second Edition, 2001 by NACE International

P. R. Roberge, Ph.D., P.Eng., Corrosion Engineering Principles and Practice, 2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc.

3. SISTEM INOVATIV DE PROTECȚIA ACTIVA A METALELOR ALIMENTAT DIN SURSE REGENERABILE DE ENERGIE – STRUCTURA

Sistemul de Protecție Anticorozivă Activă a Metalelor Alimentat din Surse Regenerabile de Energie (SIPAMASRE) este de fapt, așa cum apare în literatura de specialitate, un sistem de Protecție Catodică cu Injecție de Curent (PCIC). În paragrafele care urmează este prezentată structura SIPAMASRE și se va analiza fiecare componentă a acestui sistem de protecție în parte

Componentele principale care fac parte din SIPAMASRE sunt:

MODULUL 1 (MPAM) – Sursă reglabilă de curent continuu de injecție și priză de potențial

Anozi de injecție (priză anodică);

Electrod de referință;

Sursă de curent de injecție alimentată cu tensiune continuă

Sistem de control, comandă, monitorizare si transmisie date la distanta;

MODULUL 2 (MPEE) – Sursă regenerabilă de alimentare cu tensiune CC care utilizează energia solară:

Panouri solare (fotovoltaice);

Baterii reîncărcabile

Încărcător baterii

Componentele auxiliare ale SIPAMASRE sunt: aparate de masură, întrerupătoare, siguranțe, protecție supratensiune, prize de potențial, cabluri, etc;

Fig. 3.1 Structura sistemului de protecție catodica activa alimentata din surse regenerabile de energie alcătuit din două module

3.1. ANOZI DE INJECȚIE DE CURENT:

3.1.1. Materiale utilizate.

Anozii unui sistem de PCIC oferă mijloacele pentru ca curentul de protecție să intre în electrolit. Deoarece anozii formează partea din sistemul care se corodează, cel mai bun material este unul care are o rată scăzută de pierdere în greutate pe amper-an.

Cele mai frecvent utilizate materiale pentru anozii de injecție de curent sunt grafitul și fonta cu conținut ridicat de siliciu. Aluminiu este uneori folosit în rezervoarele de stocare a apei. În zonele în care acoperirea de protecție în strat gros nu este o problemă, se folosesc anozi din fontă cu siliciu ridicat, în loc de aluminiu, pentru costuri mai mici pe termen lung. Anozii de titan acoperiți cu platină sau niobiu și anodii de oxid metalic mixt devin din ce în ce mai răspândiți ca material de anod pentru injecție de curent. Înainte de anii 1970, existau doar trei tipuri de anozi folosiți în primul rând pentru ariile de anozi de injecție de curent: fonta cu conținut ridicat de siliciu, grafit și bucăți de oțel. Pe măsură ce tehnologia a progresat, la fel s-a întâmplat și cu tipurile de materiale utilizate în mod obișnuit de către personalul specializat în coroziune. Materialele au aplicații specializate și, atunci când sunt evaluate costurile de instalare și funcționare, foarte puțini anozi pot fi utilizați universal pentru orice tip de aplicație și să atingă totuși o durată de viață de proiectare dorită. În majoritatea solurilor, anozii degajă oxigen și anodul se oxidează pe măsură ce curentul este descărcat. În solurile sau apele care conțin clorură, anozii degajă clor gazos care formează acid clorhidric, iar anodii se descompun chimic. Întregul scop al acestei explicații este de a sublinia că unii anozi se comportă bine în prezența oxigenului, iar alții în prezența acizilor.

3.1.1.1 Anozi din fontă cu conținut mare de siliciu.

Anozii din fontă sunt produși în două tipuri de aliaje, cu adaos principal de crom, dezvoltat în 1959, pentru a îmbunătăți viața în solurile și apa cu clorură. Motivul principal al performanței superioare din fontă este formarea unui film de oxid de siliciu (Si02) care se formează pe suprafața anodului, care reduce rata de oxidare și întârzierea ratei de consum. Anozii au proprietăți electrice bune, iar rezistența aliajului este de 72 de μohmi/ cm3 la 20 ° C. Pentru a avea succes în soluri, anozii sunt umpluți cu praf de cocs metalurgic sau de petrol pentru a micșora rezistența anodului și pentru a crește suprafața efectivă a anodului. Chiar și atunci când anozii sunt preambalați în canistre umplute cu praf de cocs, umplerea spațiului inelar dintre canistră și sol cu ​​praf suplimentarăde cocs este o practică recomandată. În apa de mare, anodul va descărca curent la tensiuni foarte mici și, prin urmare, nu necesită umplere. Producătorii de anozi din fontă au dezvoltat proceduri de conectare cablu-anod pe care distribuitorii trebuie să le urmeze. Prin urmare, a existat o incidență mai mică a defecțiunilor conexiunii, comparativ cu anozii de grafit. Anozii prezintă o conductivitate superioară și au o schimbare foarte mică a rezistenței electrice în timp, cu excepția cazului în care anodul este deteriorat. Rezistența ridicată la tracțiune a metalului este un avantaj în anumite circumstanțe, cu excepția faptului că alungirea lor foarte scăzută le face fragile și supuse fracturării din cauza șocurilor mecanice și termice severe. Anozii din fontă sunt fabricați într-o mare varietate de dimensiuni, forme și greutăți.

3.1.1.2 Anozi de grafit.

Tijele din grafit au fost folosite ca material pentru injecția de curent de mulți ani. Configurațiile de bază constau din tije rotunde sau pătrate, fabricate dintr-o suspensie de pulbere de cocs de petrol și rășină de gudron de cărbune. Gudronul de cărbune este utilizat ca agent de legare pentru a menține particulele de grafit împreună și apoi coapte timp de o lună la temperaturi ridicate pentru a contopi amestecul. Acest proces mărește rezistența la oxidare și descompunerea ulterioară. Există multe tipuri de compoziții de grafit, iar tipul utilizat pentru paturile de protecție catodică este unul dintre cele mai poroase. Porozitatea permite umezelii care penetrează să migreze în cele din urmă către conexiune, provocând defecțiuni la conexiunea cablului. Un anod mai dens este scump; prin urmare, porozitatea este redusă prin impregnarea tijelor cu un umplutură ieftină de ulei de in, ceară microcristalină sau o rășină pe bază de fenol. Există controverse cu privire la cel mai bun tip de umpluturi și chiar dacă umplutura reduce cu adevărat penetrarea umezelii pe perioade lungi de timp.

Unele materiale de umplutură au făcut ca paturile de adâncime devină murdare și să dezvolte o rezistență ridicată a circuitului atunci când anozii sunt parcurși de niveluri ridicate de densitate de curent.

Este foarte important să aveți o conexiune corectă între orice material anodic și cablul electric. De ani de zile, producătorii de anozi de grafit nu au avut nicio specificație pentru o conexiune adecvată a cablului de anod. Acest lucru a dus la proceduri variate și la numeroase defecțiuni atribuite materialului slab, manopera greșită și lipsa parametrilor de control al calității înainte de expediere. Mulți utilizatori și-au dezvoltat propriile standarde de asamblare care fac din anozii de grafit un produs personalizat și, în consecință, mai scump decât ar putea fi, dacă ar exista un standard industrial. Detaliile suplimentare ale specificațiilor ar trebui să includă: Tipul containerului; Adâncimea / diametrul conexiunii; Etanșant al conexiunii; Etanșant pentru cabluri; Impregnare; Mărimi.

Grafitul nu trebuie utilizat la densități de curent care depășesc 10,76 A/m2 în sol sau 2,70 A/m2 în apă. Din păcate, grafitul este fragil și poate fi ușor deteriorat în timpul transportului, fie neprotejat, fie ambalat. Manipularea specială și căptușirea sunt necesare pentru a preveni crăparea și ruperea.

3.1.1.3 Anozi de aluminiu

Ocazional, aluminiul este folosit ca un anod de injecție curent pentru protejarea interiorului rezervoarelor de apă. Deoarece este relativ ieftin în comparație cu alte materiale de curent impresionate, anozii sunt furnizați în secțiuni cu tijă înșurubată cu diametrul de ½ inch. Acestea sunt destinate utilizării în rezervoare în care înghețul sezonier distruge de obicei conexiunea firului cu anodul, necesitând înlocuirea anuală. Acest tip de sistem de anod nu contaminează apa potabilă, dar rata de consum de 4,1 kilograme/ A-an limitează eficiența costurilor pe baza costului pe an de serviciu comparativ cu alte sisteme anodice.

3.1.1.4 Anozi de plumb-argint.

Anozii din aliaj de plumb sunt utilizați numai în aplicații cu apă de mare care curge liber și se pot folosi diverse metale, cum ar fi plumbul de antimoniu, staniu și 1% sau 2% argint. În mod obișnuit furnizate sub formă de tije sau benzi, cu un diametru de 1,5 inci pe o lungime de 10 inci, aceștia au fost utilizați pe scară largă în Europa cu un aliaj de argint de 2% care dublează durata de viață. La pornirea inițială, rata de consum este de aproximativ 1,3 kg/ A-an și, în cele din urmă, se formează o peliculă neagră pasivă de peroxid de plumb pentru a prelungi durata de viață a suprafeței anodului, rezultând un consum de aproximativ 0,09 kg/ A-an. Densitatea normală de curent variază de la 32.3 la 269 A/m2. În condiții de nămolire sau clorură scăzută, acest film de oxid nu se formează, iar anodul este consumat rapid. Conexiunile cablurilor se realizează prin executarea unei găuri, și lipirea cu argint a conductorului la baza găurii. Gaura de conectare este apoi umplută cu rășină epoxidică pentru a preveni pătrunderea umidității. Instalarea se realizează prin agățarea anodilor de o structură, doc sau dig, într-o țeavă perforată sau de un dispozitiv de susținere pentru a-și menține poziția. Acest suport este important pentru a preveni deteriorarea din cauza gheții și pentru a împiedica anozii să intre în contact cu noroi sau nămol.

3.1.1.5 Anozi de platină.

Platina poate fi utilizată ca strat de anod pentru aproape orice tip de instalație de protecție catodică. Structurile dintr-o gamă largă de medii, cum ar fi subterane, în larg, beton, centrale electrice, și interiorul conductelor, rezervoarelor și mașinilor au folosit platină pentru sistemele de protecție catodică. Deoarece platina are o rată de consum atât de scăzută, 0,08 mg/ A-an, este necesară doar o cantitate mică pentru o viață anodică de douăzeci de ani. Platina pură, de la sine, ar fi prea scumpă. Platina este în mod normal utilizată pentru acoperirea metalelor de bază nobile, cum ar fi titanul și niobiul. Atunci când anozii sunt sub formă de sârmă și tije, poate exista un miez de cupru pentru a crește conductivitatea pentru lungimi mai mari de 7,6 metri, deoarece titanul și niobiul sunt conductori electrici relativ slabi în comparație cu cuprul. Filmul pasiv pe titan începe să se descompună la 10 volți potențial anod-catod și este limitat la medii cu rezistență scăzută, cum ar fi apa de mare. Niobiul are o tensiune de rupere de 120 volți potențial anod-catod și este utilizat în electroliți cu rezistență mai mare. Densitățile de curent variază de la 50 A în soluri, până la 500 A în apa de mare, în funcție de suprafața anodului și grosimea stratului de acoperire.

Platina acoperă metalele de bază folosind numeroase tehnici, inclusiv pulverizarea, placarea și lipirea metalurgică. Un consens al inginerilor constată că anozii legați metalurgic par să aibă mai puține defecțiuni, deoarece metalele sunt comprimate împreună într-un vid fără oxigen. Aceasta oferă o rezistență scăzută, fără oxizi, și o legătură completă între metale, maximizând astfel durata de viață a proiectată. Placarea implică înfășurarea unei foi subțiri de platină în jurul unei tije și sudarea în puncte a platinei de metalul de bază în zona de suprapunere. Zona de sudură limitată permite oxidarea metalului de bază, crescând astfel rezistența și obținând o durată de viață proiectată minimă. Suprafața netedă are o influență redusă asupra duratei de viață, deoarece suprafața devine neregulată odată ce curentul este descărcat. Tehnicile de electrodepunere plachează o peliculă de platină pe metalul de bază, dar procesul are ca rezultat o suprafață poroasă care este mai puțin probabil să atingă o viață completă datorită formării de film de oxid cu rezistență mare. Descompunerea termică și tehnicile de sudură prezintă aceleași probleme ca și placarea și sunt rareori utilizate.

Conexiunea anod-cablu este critică, iar conexiunile necorespunzătoare pot duce la defect prematur. Utilizatorii trebuie să se asigure că anozii sunt fabricați în conformitate cu specificațiile lor de către personal calificat sub îndrumarea metodelor de control al calității stabilite. Dezavantajul major al platinei este rezistența sa slabă la evoluția acidului anodic în electroliți statici, curent continuu ondulat și redresoare monoalternanță. Utilizarea unui redresor cu transformator trifazat în sistemele de apă de mare se știe că duce la dublarea duratei de viață a anozilor de platină prin reducerea ondulației la ieșirea CC.

3.1.1.6 Anozi de oxid de aliaje metalice și ceramici.

Anozii de oxid de aliaje de metale au fost dezvoltați în Europa la începutul anilor 1960 pentru utilizare în producția industrială de clor și sodă caustică. Prima utilizare cunoscută a tehnologiei pentru protecția catodică a avut loc în Italia pentru a proteja un ponton aflat în apă de mare în 1971. Acești anozi prezintă caracteristici favorabile în privința duratei de viață în timp ce furnizează curent la niveluri de densitate foarte mare. Filmul de oxid nu este susceptibil de deteriorare rapidă datorită generării de acid a anodului, curentului continuu ondulat sau redresării monoalternață, comună altor anozi din metale prețioase. Compoziția anodului constă dintr-o tijă de titan, sârmă, tub sau plasă expandată cu pelicula de oxid lipită prin ardere pe metalul de bază. Uneori, aceștia pot fi denumiți anozi stabili dimensional, ceramici sau distribuiți liniar. În mediile de evoluție a oxigenului, cum ar fi solurile, oxidul este format din cristale de ruteniu și săruri de halogenură de titan într-o soluție apoasă care se aplică ca vopsea pe metalul de bază și coaptă la 400°C până la 800°C, formând un bioxid de titan. În mediile în care se dezvoltă clorul, cum ar fi apa de mare, oxidul constă dintr-o soluție apoasă sau pulbere de iridiu și platină care este, de asemenea, coaptă la temperaturi ridicate pentru a obține o peliculă dorită. După coacere, oxidul de rutil dezvoltă un aspect negru mat și este foarte rezistent la abraziune. Unii producători produc variații ale filmului de oxid special pentru electroliți cu clorură sau neclorură și nu sunt interschimbabili. În mod normal, titanul va avea o descompunere fizică în jur de 10 volți, dar filmul de oxid este atât de extrem de conductiv (rezistivitate 0,01 mohm-cm), încât curentul, care ia calea celei mai mici rezistențe, este descărcat din oxid mai degrabă decât din metalul de bază chiar cu o tensiune de redresată de 90 volți pentru soluri. Acest lucru este în contrast cu filmul izolant de dioxid de titan care se formează în mod natural pe suprafața titanului neacoperit. Când filmul mixt de oxid de metal a fost consumat, filmul izolant de dioxid de titan va acoperi anodul și nu va permite curentul să se descarce decât dacă tensiunea aplicată este mai mare de 10 volți în apa de mare sau de 50 până la 70 de volți în apa dulce.

A fost dezvoltat un anod ceramic. Performanța bună a anodului ceramic a fost demonstrată într-o mare varietate de aplicații. Următoarele date detaliază densitățile maxime de curent recomandate pentru diferiți electroliți:

• Sol, noroi, apă dulce: 100 A/m2 – 20 de ani.

• Apă de mare: 600 A/m2 – 15 ani.

Anozii utilzați în sol sau noroi trebuie protejați cu praf fin de cocs de petrol calcinat, cu rezistență redusă, pentru o durată maximă de viață și performanță. Chiar și atunci când anodul este preambalat cu cocs de petrol, judecata inginerească conservatoare ar dicta ca pachetul de anod să fie înconjurat de cocs metalurgic, înainte de a termina umplerea cu sol nativ. Ratele de consum la aceste densități variază de la 0,5 mg/ A-an în apa de mare la 5 mg/A-an în praf de cocs, apă dulce și noroi sărat. Ca și în cazul oricărui anod, conexiunea trebuie să fie construită astfel încât să fie rezistentă la umezeală, etanșă la apă și să nu aibă mai mult de 1 mohm de rezistență. Avantajele anodilor de oxid metalic mixt:

• Ușor și incasabil

• Rata de consum neglijabilă

• Inert la generarea de acid

• Stabil dimensional

• Ieșire cu densitate mare de curent

• Rentabil

3.1.1.7 Anozi conductivi de polimer.

În 1982, un nou material anodic a fost testat în aplicații de protecție catodică. Materialul furnizează o cantitate mică de curent în spații restrânse, cum ar fi suprafețele interne ale conductelor, schimbătoarele de căldură, conductele de utilități și zonele ecranate față de curentul convențional din sol. Materialul seamănă cu un cablu electric, dar constă de fapt dintr-un conductor de cupru torsadat cu o manta din polietilenă extrudată și conductivă. Acest concept este utilizat în cablurile de alimentare concentrice subterane ca un scut conductor în jurul firelor de la sol. Polimerul conține granule de carbon care descarcă curentul, lăsând în urmă o matrice de polimeri. Anodul trebuie umplut în praf de cocs carbonat pentru o viață maximă. Unii producători oferă o sită de plastic opțională pentru a separa anodul de catod în spații restrânse, prevenind scurtcircuitul electric între anod și catod. În prezent, materialul este disponibil în patru diametre diferite și curentul de ieșire variază de la 9,8 la 29,5 mA/m.

3.1.2. Tipuri de paturi anodice (”GROUNDBED”) pentru injecția de curent și instalarea lor.

Tipurile de rețele anodice pentru injecția de curent depind de amplasarea, orientarea și adâncimea anozilor. Rețelele anodice de injecție de curent sunt plasate în mod normal în locații îndepărtate și distribuie curentul pe distanțe mari ale structurii protejate (conducte, parcuri de rezervoare, sisteme de distribuție etc.).

PATURI ANODICE DISTRIBUITE: Rețelele de anozi de injecție de curent distribuite sunt uneori folosite pentru structuri mici (supape, rezervoare), iar anozii sunt distribuiți uniform de-a lungul structurii care trebuie protejată, fiecare anod protejând o porțiune mică din întreaga structură. Rețelele de injecție de curent distribuite sunt utilizate în mod obișnuit pentru a proteja interiorul rezervoarelor de stocare a apei, atât la nivelul solului, cât și la structurile ridicate.

PATURI ANODICE LA DISTANȚĂ: Rețelele anodice de injecție de curent la distanță pot fi instalate în apropierea suprafeței, orizontal sau vertical, sau pot fi instalate la adâncime.

3.1.2.1 Sisteme distribuite de PCIC.

Aceste sisteme sunt utilizate în mod obișnuit pentru a proteja structurile mici. Aceasta este de obicei cea mai economică alegere atunci când structura este mică sau anozii nu pot fi așezați în pământ îndepărtat. Acest tip de pat anodic este utilizat pentru a proteja interiorul rezervoarelor de apă, fundurilor rezervoarelor la nivelul solului, rezervoarele subterane de stocare sau o conducte scurte. Anozii sunt distribuiți de-a lungul conductei sau în jurul suprafeței rezervorului (interior pentru rezervoare de apă, exterior pentru rezervoare subterane). Distanța de la structură este în mod normal de 1,5 până la 3 metri, iar distanța dintre anozi este în mod normal dublă față de această distanță (3 până la 6 metri). În unele cazuri, anodul este continuu și este plasat într-un model de rețea pe rezervoare sau de-a lungul părții laterale a unei conducte.

Fig. 3.1.1 Sistem distribuit de Protecție Catodică cu Injecție de Curent

3.1.2.2 SISTEME VERTICALE DE PCIC LA DISTANȚĂ.

Aceste sisteme sunt utilizate în mod obișnuit pentru conducte în zone îndepărtate. Aceasta este de obicei cea mai economică alegere atunci când nu există alte utilități în zonă și există suficient spațiu pentru a poziționa anozii la distanță de structură. Amplasarea verticală a anodilor în pământ tinde să scadă rezistența totală față de pământ a sistemului (față de plasarea orizontală). Distanța față de obiectul îndepărtat protejat variază în funcție de rezistivitatea pământului, de obicei de la 91 la 213 metri. Testarea rezistivității solului trebuie făcută în zona rețelei de anozi propusă pentru a localiza o zonă cu rezistență scăzută pentru a plasa anozii. Trebuie să se asigure că zona de rezistență scăzută nu este continuă până la structura protejată. Poate apărea o distribuție slabă a curentului dacă apare această situație. În unele cazuri, cea mai bună locație pentru un pat anodic poate fi pe pământ cu rezistivitate mai mare. Rezistența rețelei anodice poate fi redusă prin adăugarea de anozi suplimentari, folosind anozi mai lungi sau prin creșterea distanței dintre anozi.

Fig. 3.1.2 Sistem vertical de Protecție Catodică cu Curent Injectat la distanță

3.1.2.3 Sisteme orizontale de PCIC la distanță.

Aceste sisteme sunt utilizate în mod obișnuit pentru conducte în zone îndepărtate unde un strat de rocă este situat lângă suprafață sau în care alte condiții ale solului ar necesita instalarea orizontală pentru a se asigura că anodul se află într-un mediu uniform. Aceasta este de obicei cea mai economică alegere atunci când nu există alte utilități în zonă, există suficient spațiu pentru a monta anoziila distanță de structură și există straturi de rocă lângă suprafață. Amplasarea orizontală a anozilor în pământ tinde să ridice rezistența totală a sistemului (față de varianta verticală). Distanța față de pământul îndepărtat variază în funcție de rezistivitatea pământului, de obicei de la 91 la 213 metri. Testarea rezistivității solului se poate face în zona unui pat anodic propus pentru a localiza o zonă cu rezistență scăzută pentru a plasa anozii. Trebuie avut grijă ca zona de rezistență scăzută să nu fie continuă până la structura protejată. Poate apărea o distribuție slabă a curentului dacă apare această situație. În unele cazuri, cea mai bună locație pentru un pat anodic poate fi pe pământ cu rezistivitate mai mare. Rezistența patului anodic poate fi redusă prin adăugarea de anozi suplimentari, folosind anodi mai lungi sau prin creșterea distanței dintre anodi. Anodii pot avea cabluri individuale conectate la un cablu antet sau pot fi instalate pe un cablu continuu.

Fig. 3.1.3 Sistem orizontal de Protecție Catodică cu Injecție de Curent la distanță

3.1.2.4 Sisteme PCIC de adâncime la distanță.

Aceste sisteme sunt utilizate în mod obișnuit pentru a proteja structurile mari din zonele construite. Aceasta este de obicei cea mai economică alegere atunci când structura este mare, într-o zonă cu multe alte utilități, sau anozii nu pot fi așezați lângă suprafață. Acest tip de pat anodic este utilizat pentru a proteja sistemele de distribuție a conductelor, parcurilor de rezevoare supraterane și conductele din zonele construite. Anozii sunt așezați în pământ îndepărtat prin forarea adâncă sub suprafață. Rețeaua tipică de anozi adânci este poziționată la 30,5 metri până la capătul superior al anodul și de la 61 la 183 metri până la capătul inferior al anodului. Anozii pot fi pe cablați individual, distanțați pe un cablu continuu sau pot fi un fir continuu de anod. Acest tip de pat anodic poate avea o capacitate de curent mult mai mare decât sistemele tipice de anod de suprafață. Acest tip de sistem minimizează interferențele cu alte structuri metalice. Acest sistem necesită o atenție specială pentru umplerea, izolarea cablurilor și aerisirea.

Fig. 3.1.4 Sistem de Protecție Catodică cu Injecție de Curent de adâncime, la distanță

3.2. ELECTROZI DE REFERINȚĂ:

Măsurătorile practice care furnizează date privind riscul de coroziune sau protecția catodică sunt predominant electrice. În principiu, acestea se referă la determinarea celor trei parametri principali ai tehnologiei electrice: tensiune, curent și rezistență. Măsurarea potențialului metalelor în sol sau în electroliți este o măsurare a tensiunii dintre obiectul de protejat și un electrod denumit electrod de referință. Această măsurare se face pe o sarcină de rezistență de valoare foarte mare, și prin urmare, nu apare niciun curent.

În practică, se utilizează diferiți electrozi de referință, în funcție de mediu și aplicație. În special, trebuie respectate următoarele:

(a) stabilitatea potențialului electrodului de referință în timp;

(b) rezistența după poziționare în pământ și capacitatea de încărcare în curent;

(c) rezistența împotriva componentelor și influențele mediului, precum și compatibilitatea cu sistemul care este monitorizat.

Punctul (a) se referă doar la electrozi metalici simpli și trebuie testat pentru fiecare caz. Punctul (b) este important pentru instrumentul de măsurare utilizat. În acest sens, polarizarea electrodului de referință duce la o eroare mai mică decât o cădere de tensiune ohmică la diafragmă. Punctul (c) trebuie testat pentru fiecare sistem și poate duce la excluderea anumitor sisteme de electrozi pentru anumite medii și necesită luarea unor măsuri speciale.

Ținând cont ca sistemul de protecție catodică propus este unul cu automat cu control de la distanță, reglajul parametrilor de iesire se va realiza functie de potentialul structurii protejate față de un electrod de referință Cu/CuSO4.

Electrodul Cu/CuSO4 are durata de viață de 20 ani. Electrodul de referință trebuie înlocuit în mod obligatoriu la terminarea duratei de viata. Acest electrod este alcătuit dintr-un tub de plastic rezistent la șoc, umplut cu gel de sulfat de cupru saturat, având în interior un electrod de cupru de puritate 99,99%.

Într-unul din capetele tubului se montează o membrană ce reține umiditatea, în timp ce în celalalt capăt se montează un capac de plastic cu un surub conectat la unul din capete la electrodul de cupru și la celălalt capat la un cablu ce va realiza conexiunea cu sursa de curent.

Fig. 3.2.1 Electrod de referință Cu/CuSO4

3.3. SURSĂ DE CURENT DE INJECȚIE PENTRU PROTECȚIE ANTICOROZIVĂ ACTIVĂ ALIMENTATĂ CU TENSIUNE CONTINUĂ

Sursa pentru protecție anticorozivă activă (PCIC) trebuie să asigure un de curent de injecție de tip curent continuu suficient de mare pentru schimbarea potențialelor obținute în structura de protejat.

De obicei sursă de alimentare a PCIC este un redresor care convertește tensiunea alternativă de la rețeaua electrică națională la în tensiune continuă care este aplicată instalației de protejat, rezultând astfel curent necesar realizării protecției catodice active.

În situația în care sursa de curent alternativ lipsește, utilizarea bateriilor, încărcate de panouri fotovoltaice este o soluție viabilă. Sistemele de protecție catodică care utilizează baterii trebuie să fie prevăzute cu echipamente adecvate de control al tensiunii și/sau curentului și un sistem de întrerupere a sarcinii pentru a evita deteriorarea bateriilor datorită descărcării complete.

Se impune ca ondulația curentului de ieșire a sursei să nu depășească 5% din curentul de ieșire DC pentru 5% și 100% din curentul nominal de ieșire. Acest lucru este deosebit de important pentru anumite tipuri de anod, cum ar fi titanul platinat. De asemenea o caracteristică electrică foarte importantă ale surselor alimentate din baterii este eficiența (randamentul). Este necesară o minimizare a pierderilor de putere în funcționare pentru a nu supradimensiona inutil ansamblul panouri fotovoltaice-baterii, astfel încât să se asigure o funcționare cât mai îndelungată a sursei de protecție catodică activă fără necesitatea reîncărcării bateriilor

În paragrafele următoare sunt prezentate tipuri de surse de curent de injecție.

5.3.1 TIPURI CONSTRUCTIVE

Deoarece sursa de curent de injecție este alimentată cu tensiune continuă de la ansamblul panouri fotovoltaice-baterii, tipurile constructive ale ale acestei surse care sunt luate în considerare sunt următoarele:

– Sursă de curent de tip chopper / convertor cc-cc;

– Sursă de curent de tip invertor – redresor;

3.3.1.1 Sursă de curent de tip Chopper (Convertor cc-cc);

În electronică, denumirea de circuit chopper este utilizată pentru numeroase tipuri de dispozitive electronice de comutație și circuite utilizate în aplicațiile de semnal și de control al puterii. Traducerea denumirii ”chopper” este tocător/ întrerupător. În esență, un ”chopper” este un comutator electronic care este utilizat pentru a întrerupe un semnal sub controlul altuia. Astfel un ”chopper” este un dispozitiv care convertește tensiunea fixă continuă de la intrare într-o tensiune continuă variabilă de ieșire. Similar cu transformatoarele circuitului de curent alternativ, choppere-le sunt utilizate pentru a crește și a reduce puterea de curent continuu.

În aplicațiile electronice de putere, deoarece elementul de comutare este fie complet pornit, fie complet oprit, pierderile sale sunt reduse și circuitul poate oferi o eficiență ridicată. Cu toate acestea, curentul furnizat sarcinii este discontinuu și poate necesita netezire sau o frecvență mare de comutare pentru a evita efectele nedorite.

În circuitele de procesare a semnalului, utilizarea unui ”chopper” stabilizează un sistem împotriva derivei componentelor electronice; semnalul original poate fi recuperat după amplificare sau altă procesare de către un demodulator sincron care, în esență, anulează procesul de „tăiere”.

Dispozitivele ”chopper” sunt cunoscute și sub numele de convertoare DC-DC sau regulatoare în comutație. Aceste dispozitive schimbă nivelul tensiuni disponibilă de la o sursă de curent continuu, cum ar fi o baterie, o celulă solară sau o celulă de combustibil la un alt nivel de curent continuu, pentru a alimenta o sarcină de curent continuu

Fig. 3.3.1 SIPAMASRE cu SURSA CURENT TIP CONVERTOR DC/DC

3.3.1.2 Sursă de curent de tip invertor – redresor;

Fig. 3.3.2 SIPAMASRE cu SURSA CURENT TIP INVERTOR – REDRESOR

A. Invertor

Un invertor de putere, sau invertor, este un dispozitiv electronic de putere sau circuite care transformă tensiunea continuă în tensiune alternativă, respectiv curentul continuu (CC) în curent alternativ (CA).

Caracteristicile principale ale invertorului sunt tensiunea de intrare, tensiunea și frecvența de ieșire, puterea de ieșire și eficiența. Valorile acestor caracteristici electrice depind de proiectarea dispozitivului specific sau a circuitelor. Invertorul nu produce energie, puterea transferată consumatorului fiind asigurată de sursa de curent continuu. Prin urmare, invertorul este un convertor, nu un generator.

Invertoarele de putere sunt utilizate în principal în aplicații de energie electrică în care sunt prezenți curenți și tensiuni mari sau împreună cu baterii și eventual cu panouri solare în situația în care alimentarea principală de curent alternativ lipsește.

Clasificare pe baza caracteristicilor lor de ieșire.:

– Invertorul cu undă pătrată;

– Invertorul de undă sinusoidală modificată / cvasi-sinusoidală;

– Invertor cu undă sinusoidală pură

Din punct de vedere al eficientei (pierderilor interne), invertorul cu randamentul cel mai bun este invertorul cu undă sinusoidală pură.

B. Redresor

Redresorele sunt convertoare statice de putere care convertesc o tensiune alternativă monofazată sau polifazatată într-o tensiune continua, sensul curentului fiind doar dinspre sursa de curent altemativ către partea de curent continuu, Aceste convertoare statice de putere sunt realizate cu dispozitive electronice de putere care funcționează în regim de comutație

Redresoarele sunt clasificate într-o varietate de modele care în funcție de diverse criterii și anume, tipul de alimentare, configurația punții redresoare, componentele utilizate, natura de control etc.

Clasificare în funcție de tipul de alimentare:

– Redresor monofazat;

– Redresor trifazat;

Clasificare în funcție de configurația punții redresoare:

– Redresor monoalternanță (pentru varianta trifazată redresorul se mai numește cu punct median);

– Redresor bialternanță;

Clasificare în funcție de tipul dispozitivelor semiconductoare de putere utilizate :

– Redresor necomandat (cu diode);

– Redresor semicomandat (cu diode și tiristoare);

– Redresor complet comandat (cu tiristoare);

Toate tipurile de redresoare enumerate mai sus au particularitatea că dispozitivele electronice pe care le au în componență funcționează cu comutație naturală (la trecerea curentului prin zero).

Una dintre problemele cu redresoarele este că puterea de curent alternativ are vârfuri și minime, care pot să nu producă o tensiune continuă continuă. De obicei, un circuit de netezire sau un filtru trebuie să fie cuplat cu redresorul de putere pentru a produce un curent continuu DC.

Pentru anumite aplicații, conversia tensiunii alternative în tensiune continuă se face utilizând un convertor care funcționează cu comutație forțată. Acest convertor se mai numește și sursă de tensiune în comutație.

3.4 BATERII

3.4.1. ISTORIC

Fenomenele electrice au fost o preocupare a oamenilor din cele mai vechi timpuri cu mult înainte de a exista orice cunoștințe de energie electrică, acestea fiind observate în mai multe forme din natură, o manifestare evidentă a ei fiind fulgerul.

Electricitatea a fost studiata inca din antichitate. Oamenii de știință au găsit dovezi că popoarele antice ar fi putut experimenta fenomene legate de electricitate. În 1936, a fost descoperit un vas de lut care sugerează că primele baterii ar fi fost inventate cu peste 2.000 de ani în urmă. Vasul de lut conținea plăci de cupru, aliaj de staniu și o tijă de fier. Acesta ar fi putut fi folosit pentru a crea un curent electric prin umplerea cu o soluție acidă, precum oțetul. Nimeni nu știe la ce a fost folosit dispozitivul, dar aruncă ceva lumină asupra faptului că oamenii ar fi putut învăța despre electricitate incă din cele mai vechi timpuri.

În secolul al VI-lea î.e.n., filozoful grec Thales din Milet, cel mai vechi cercetător cunoscut al electricității, a experimentat acest fenomen cu tije de chihlimbar și aceste experiment poate fi considerat unul din primele studii în producția de energie electrică. Deși această metodă, acum cunoscută sub numele de efect triboelectric, poate ridica obiecte ușoare și genera scântei, ea este extrem de ineficientă

Electricitatea va rămâne puțin mai mult decât o curiozitate intelectuală timp de milenii, până în 1600, când omul de știință englez William Gilbert a făcut un studiu atent al electricității și magnetismului, făcând distincția între efectul magnetitei și electricitatea statică produsă prin frecarea chihlimbarului.  El a inventat cuvântul neolatin⁠ electricus („de chihlimbar” sau „al chihlimbarului”, de la ἤλεκτρον, elektron, cuvântul grecesc pentru „chihlimbar”) pentru a denumi proprietatea de a atrage obiecte mici, în urma frecării.  Această asociere a dat naștere cuvintelor „electric” și „electricitate”, care au apărut pentru prima dată într-o lucrare tipărită în Pseudodoxia Epidemica⁠(d) de Thomas Browne din 1646.

Electricitatea a fost folosita de oameni de-a lungul timpului dar nu în modul în care ne gândim la ea, astăzi. Oamenii utilizau electricitatea pentru experimente prin crearea de scântei si șocuri. Oamenii de știință din cele mai vechi timpuri au observat similitudini intre electricitate si fulgere dar totusi gândirea științifică despre electricitate nu s-a schimbat prea mult în sute de ani. Energia electrică nu era încă „utilă”.

Deoarece energia electrică este o forță naturală care există în lumea noastră, nu a trebuit să fie inventată. Totuși, trebuia descoperit și înțeles. Majoritatea oamenilor acordă credit lui Benjamin Franklin pentru descoperirea electricității.

Primele cercetări extinse asupra electricitatii au fost facute în secolul al XVIII-lea de Benjamin Franklin. La mijlocul anilor 1700, a devenit interesat de electricitate. El a observat asemanari intre electricitate și fulgere: ambele creau lumina, erau atrase de metale, aveau un miros particular si multe altele. Aceste observatii l-au făcut pe Franklin să creadă că electricitatea și fulgerul sunt același lucru. El și-a scris gândurile în scrisori către un coleg si el om de știință care le-a considerat valoroase si le-a publicat in 1751 într-o carte numita ”Experimente și observații despre electricitate”. Cu permisiunea lui Franklin, experimentele sale au fost prezentate sub formă de corespondență care oferă detalii minime ale experimentelor sale. Ceea ce a dat acestei cărți celebritatea instantanee a fost unul dintre experimentele sale, atrăgând electricitatea din nori. Prin experimentul zmeului s-au descoperit informatii necunoscute până atunci despre iluminat și electricitate. El a vrut sa demonstreze similitudinera dintre fulger si electricitate. Planul lui necesita ceva înalt, precum un deal sau o clădire înaltă, in Philadelphia nu exista așa ceva in acele vremuri. În timp ce Franklin aștepta să fie construită o clădire înaltă, a venit cu un alt plan. Acesta a implicat o cheie și un zmeu. Franklin avea nevoie de ceva pentru a se apropia de nori ca să atragă fulgerul. Nu se putea ridica acolo, din moment ce Philadelphia nu avea dealuri sau clădiri înalte. Avea o batistă de mătase, câteva bețe și câteva șnururi, așa că, în loc să se ridice lângă fulger, a ridicat un zmeu până la el. Și a funcționat! Franklin și câțiva alți oameni de știință din Europa (care și-au făcut propriile experimente) au dovedit că fulgerul și electricitatea sunt același lucru.

Dar asta nu a fost suficient pentru Franklin. El a crezut că aceste cunoștințe trebuie utilizate în scopuri practice.

Benjamin Franklin a descoperit că atunci când un obiect este ținut spre un alt obiect încărcat, atrage electricitate. După Experimentul Zmeului, s-a întrebat dacă poate fi folosită o tijă metalică pentru a atrage electricitatea din nori. Așa a fost inventat paratraznetul. El a construit primul paratrăznet care va fi instalat în vârfurile clădirilor. Aceste ”tije” au transferat explozia bruscă a descărcării de electricitate și au condus-o la sol printr-un fir fără a provoca daune. Este încă utilizat în clădiri astăzi.

Tot el a fost prima persoană care a utilizat termenii de sarcina pozitivă și negativă descoperind prin experimente, că energia electrică nu este generată prin frecarea a două obiecte, ci este mai degrabă transferată de la un obiect la altul. De asemenea, Franklin a descoperit că încărcarea pozitivă și negativă este întotdeauna echilibrată în toate obiectele din natură. Acest echilibru este obținut prin transferul încărcării pozitive de la o sarcină mai mare la una mai mică. Acesta se numește ”Principiul conservării energiei electrice”. El a fost prima persoană care a utilizat termenii de încărcare și descărcare în timp ce descrie transferul de energie electrică.

Până la acel moment, oamenii de știință cunoșteau și experimentau în principal electricitatea statică. Benjamin Franklin a făcut lucrurile să mearga cu un pas mare înainte. El a venit cu ideea că energia electrică are elemente pozitive și negative și că energia electrică se transfera între aceste elemente.

În 1748 Benjamin Franklin folosește pentru prima data termenul de baterie pentru a descrie o serie de plăci din sticlă încărcate cu sarcină electrica. El a construit o baterie electrică folosind plăci din sticlă și plăci subțiri de plumb. Folosind „bateria lui electrică”, termen pe care l-a inventat, el a arătat cum energia electrică putea fi stocată în sticlă și trecută prin ea. Nu ar trebui să-i spunem stră-străbunicul bateriilor electrice?

Fig. 3.4.1 Clopotele lui Franklin

Benjamin Franklin a fost ulterior membru al Academiei Regale din Londra și a primit Medalia de Aur a lui Sir Godfrey Copley în 1753.

Bazându-se pe activitatea lui Franklin, mulți alți oameni de știință au studiat energia electrică și au început să înțeleagă mai multe despre cum funcționează.

În 1800 savantul italian Alessandro Volta inventează „pila voltaică”. Aceasta este strămoșul bateriilor electrice, ce transforma energia chimică în energie electrică.

Nu există energie electrică pentru experimente înainte ca Allesandro Volta să inventeze prima baterie din lume în 1800. Aceasta a constat în alternarea discurilor de zinc și cupru, cu o cârpă îmbibată cu saramură sau un carton între ele. A produs curent continuu stabil, deși acest lucru nu a fost suficient de puternic pentru a fi cu adevărat util.

Tot in 1800, Sir Humphry Davy a început să testeze efectele chimice ale electricității și a aflat că descompunerea a avut loc la trecerea curentului electric prin substanțe. Acest proces a fost numit ulterior electroliză.

El a făcut noi descoperiri, instalând cea mai mare și mai puternică baterie electrică din bolțile Instituției Regale din Londra, conectând bateria la electrozi de cărbune, producând prima lumină electrică. Martorii au raportat că lampa sa cu arc voltaic a produs „cel mai strălucitor arc de lumină ascendent văzut vreodată”.

Doi ani mai târziu, în 1802, William Cruickshanka proiectează prima baterie electrică pentru producția de serie. El a construit o baterie de celule electrice prin unirea plăcilor de zinc și cupru într-o cutie de lemn umplută cu o soluție de electroliți. Acest dispozitiv a avut avantajul de a nu se usca odata cu utilizarea indelungata și a furnizat mai multă energie decât aranjarea discului Volta.

André Marie Ampere demonstrează în 1820 că firele purtătoare de curent electric erau uneori atrase unul către celălalt, alteori se respingeau.

În 1836, John Frederic Daniell a inventat prima sursă practică de electricitate folosind doi electroliți. Pila voltaica descoperita de Alessandro Volta avea dezavantajul ca nu era portabila si folosea acidul sulfuric ca solutie ceea ce insemna eliberarea de gaz inflamabil. Celula Daniell, așa cum a fost numită aproape imediat, a folosit două soluții, sulfat de zinc și sulfat de cupru care nu eliberau hidrogen. Celula originală Daniell avea sulfat de zinc și sulfat de cupru în recipiente separate, dar adiacente, conectate printr-o „punte de sare”, un fel de țeavă care lăsa să circule cele două soluții sulfat. Ceva mai târziu s-a realizat că, dacă se punea un recipient ceramic în interiorul unui altui recipient de cupru și soluția de zinc din interiorul recipientului de ceramică, ceramica ar separa în mod eficient cele două soluții, dar tot ar permite ionilor de sulfat să circule prin peretele poros de ceramică. Aceasta este forma pe care o va avea celula Daniell pentru următorii 60 de ani. Întrucât era portabilă și sigură, celula Daniell a fost folosită pentru a alimenta comunicațiile.

Fig. 3.4.2 Diagrama unei celule Daniell, în care C este o placă de cupru, Z este electrodul de zinc, iar P este cilindrul ceramic poros care separă cele două soluții de sulfat (Linda Hall library)

Mult mai târziu când a fost alcătuit primul standard international termenul de celula a fost utilizat pentru a determina unitatea de potențial electric, care a fost numită volt. Revizuirea definiției unui volt a lăsat celula Daniell cu o ieșire de aproximativ 1,07 volți. Vedem mai jos 6 celule Daniell (bateria originală de 6 volți), așa cum este prezentata la Smithsonian Institution.

Fig. 3.4.3 O baterie de 6 celule Daniell, cu o ieșire de 6 volți (Muzeul Național de Istorie Americană) (Linda Hall library)

În 1859 Gaston Platé inventează prima baterie care putea fi reîncărcată. Bateria se baza pe exemplul chimiei acide, sistem folosit și astăzi pentru bateriile de mașină.

Pare incredibil să privești înapoi, dar celulele cu plumb sunt primele baterii reîncărcabile vreodată. Dar acesta nu este sfârșitul miracolului. Bateriile noastre cu plumb folosesc în continuare aceeași chimie de bază Gaston Planté inventată în 1859 și sunt la fel de populare ca oricând. Ar fi interesant să călătorim în timp și să urmărim această poveste remarcabilă.

În 1859 Planté a început experimente care au dus la construcția unei baterii pentru stocarea energiei electrice.

Bateria Planté este o baterie reîncărcabilă și prima de acest fel. Dispozitivul este construit cu doi electrozi separați de o bandă de cauciuc. Electrodul negativ (sau anodul) este format din plumb, în ​​timp ce electrodul pozitiv (sau catodul) este format din oxid de plumb. Electrolitul utilizat este o soluție de acid sulfuric și apă. În timpul descărcării, electronii sunt conduși de la anod la catod de către electrolit. Curentul electric este apoi alimentat cu încărcarea (un bec electric, un vehicul sau ce are).

Fig. 3.4.4 Primele baterii blumb-acid ale lui Planté (Linda Hall library)

Acest concept de baterie de la Gaston Planté a fost de fapt inspirat din Daniell Cell, o celulă primară care a fost capabilă doar să genereze 1.1V. În mod semnificativ, singura celulă Planté poate furniza 2V, reacția chimică este reversibilă și un număr de celule pot fi combinate pentru a produce o capacitate mai mare de tensiune. În plus, bateria sa a folosit un singur electrolit pentru ambii electrozi în comparație cu celula Daniell care a folosit două tipuri. Conceptul lui Planté asupra bateriei cu nouă celule a venit la un an după inventarea sa de tipul de celule unice. El a prezentat această îmbunătățire a primului design în 1860 la Academia Franceză de Științe.

Fig. 3.4.5 Baterie cu plumb-acid Planté, cca 1860 (Muzeul științei, Londra)

(Linda Hall library)

Un dezavantaj al bateriei Planté este că poate furniza tensiune doar pentru o perioadă scurtă de timp. Acest lucru este atribuit catodului care are o cantitate mică de material activ de oxid de plumb disponibil în timpul reacției chimice. Totuși, acest lucru a fost îmbunătățit de Camille Faure în 1881. Faure a folosit un set de electrozi constând din pasta de plumb răspândită subțire pe suprafața electrodului, rezultând astfel o reacție chimică mai lungă.

Bateria Planté este fundamentul bateriei moderne cu plumb-acid. Astăzi, există două categorii principale de 12V (derivate din cele nouă celule ale Planté capabile să producă 18V) baterii cu plumb. Prima dintre ele este așa-numita baterie de pornire care furnizează o supratensiune scurtă a curentului electric ridicat. A doua categorie este bateria cu ciclu profund care este capabil să descarce curentul mai mic pe o perioadă mai lungă de timp.

În 1899, Waldmar Jungner din Suedia a inventat bateria de nichel-cadmiu (NiCd) care a folosit nichel ca electrod pozitiv (catod) și cadmiu ca negativ (anod). Costurile ridicate ale materialelor în comparație cu plumbul au limitat utilizarea acestuia.

Doi ani mai târziu, in 1901 Thomas Edison a înlocuit cadmiul cu fierul, iar această baterie a fost numită nichel-fier (NiFe). El inventează bateria alcalină .

Energia specifică scăzută, performanțele slabe la temperaturi scăzute și auto-descărcarea ridicată au limitat succesul bateriei nichel-fier. Abia în 1932, Schlecht și Ackermann au obținut curenți de sarcină mai mari și au îmbunătățit longevitatea NiCd prin inventarea plăcii de pol sinterizate.

În 1947, Georg Neumann a reușit să sigileze celula.

În 1955, inginerul canadian  Lewis Urry patentează prima baterie alcalină de dimensiuni reduse. Acestea sunt construite în forme cilindrice și au diferite mărimi: AAA, AA, C, sub-C sau D.

Acumulatorii din litiu, folosiți la telefoanele mobile sau laptopuri, apar în 1970, iar 10 ani mai târziu (în 1980) japonezii construiesc prototipul acumulatorului litiu-ion, o versiune mai stabila al celui litiu.

Bateriile litiu-ion polimer apar în 1995. Ele au o densitate de energie mai mare decât bateriile obișnuite litiu-ion si nu necesită incastrarea într-o carcasă de metal.

În 2016 au apărut  bateriile de tip litiu- aer și  litiu – sticlă, așa numitele „nanolitele”.

3.4.2 DESCRIEREA BATERIEI

Primele baterii

Una dintre cele mai remarcabile și mai noi descoperiri din ultimii 400 de ani a fost energia electrică. Ne-am putea întreba: „A existat electricitate atât de mult timp?” Răspunsul este da, și poate mult mai mult. Utilizarea sa practică a fost la dispoziția noastră doar de la mijlocul până la sfârșitul anilor 1800, și într-un mod limitat la început. Unele dintre primele lucrări publice care au atras atenția au fost luminile stradale din Berlin în 1882, iluminarea Târgului Mondial de la Chicago din 1893 cu 250.000 de becuri și iluminarea unui pod peste râul Sena în timpul târgului mondial de la Paris 1900.

Utilizarea energiei electrice poate merge mai departe. În timp ce construiau o cale ferată în 1936 în apropiere de Bagdad, lucrătorii au descoperit ceea ce părea a fi o baterie preistorică, cunoscută și sub numele de Bateria Partiană. Obiectul datează din imperiul Partian și se crede că are 2.000 de ani. Bateria era formată dintr-un borcan de lut care a fost umplut cu o soluție de oțet în care a fost introdusă o tijă de fier înconjurată de un cilindru de cupru. Acest dispozitiv produce 1,1 – 2,0 volți de electricitate.

Un borcan de lut dintr-o baterie preistorică ține o tijă de fier înconjurată de un cilindru de cupru. Când este umplut cu oțet sau soluție electrolitică, borcanul produce 1,1 până la 2 volți.

Mult mai tarziu, în 1800, Alessandro Volta a descoperit că anumite fluide vor genera un flux continuu de energie electrică atunci când sunt utilizate ca conductor. Această descoperire a dus la inventarea primei celule voltaice, mai cunoscute sub numele de baterie. Volta a aflat în continuare că tensiunea va crește atunci când celulele voltaice vor fi stivuite una peste alta. Figura de mai jos ilustrează o astfel de conexiune în serie.

Fig. 3.4.6 Electrozii de argint și zinc sunt conectați în serie, separați prin hârtie îmbibată cu electrolit. (Battery university)

Experimentele Volta cu bateria electrică din 1796.

Metalele dintr-o baterie au diferite proprietati electronice. Volta a observat că potențialul de tensiune al metalelor difera in functie de gradul de atractie al electronilor.

Metalele enumerate mai jos demonstrează afinitatea de a atrage electroni; al doilea este starea de oxidare.

Zinc = 1,6 / -0,76 V

Plumb = 1,9 / -0,13 V

Tin = 1,8 / -1,07 V

Fier = 1,8 / -0,04 V

Cupru = 1,9 / 0,159 V

Argint = 1,9 / 1,98 V

Aur = 2,4 / 1,83 V

Carbon = 2,5 / 0,13 V

Metalele determină tensiunea bateriei; au fost separate cu hârtie umedă înmuiată în apă sărată.

Bateria este un mediu electrochimic de stocare a energiei. La descărcare se transformă energia chimică (stocată) în energie electrică cu ajutorul unei reacții (redox) electrochimice (Encyclopedia Britannica). De la inventarea primei baterii, așa numita pilă voltaica și de la apariția celulei Daniell bateriile au devenit o sursă de electricitate comună multor aplicații atât din aria casnică, cât și din aria industrială.

Bazele bateriei

Din punct de vedere constructiv o baterie este formată din: celulă si module

Bateria este alcătuită din module și celule individuale conectate în serie și paralel. O celulă are tensiunea în general de 1 până la 6 volți. Un modul este format din mai multe celule, în general conectate fie în serie, fie în paralel. Bateria este apoi asamblată prin conectarea modulelor împreună, din nou fie în serie, fie in parallel.

Din punct de vedere al proceselor chimice:

Nu toate bateriile sunt create identice din punct de vedere chimic. Principalul echilibru în dezvoltarea bateriei este între putere și energie: bateriile pot fi fie cu putere mare, fie cu energie mare, dar nu ambele. Adesea producătorii clasifică bateriile folosind aceste categorii. Alte clasificări comune sunt de înaltă durabilitate, ceea ce înseamnă că procesele chimice au fost modificate pentru a asigura o durată mai mare de viață a bateriei.

Din punct de vedere al capacitatii de incărcare si descărcare:

Încărcarea și descărcarea unei baterii sunt reglementate de capacitatea C. Daca capacitatea unei baterii este 1C, înseamnă că o baterie complet încărcată la 1Ah trebuie să furnizeze 1A pentru o oră. Aceeași baterie care se descarcă la 0,5C ar trebui să ofere 500mA timp de două ore, iar la 2C livrează 2A timp de 30 de minute. Pierderile la descărcări rapide reduc timpul de descărcare și aceste pierderi afectează și timpul de încărcare.

Fig. 3.4.7 Curbele tipice de descărcare a acidului de plumb în funcție de valoarea C (Battery university.com)

Din punct de vedere al terhnologiei:

Există două tipuri principale de baterii: baterii primare (baterii de unică folosință) și baterii secundare (baterii reîncărcabile). (Encyclopedia Britannica).

Functionarea bateriei

O baterie, care este de fapt o celulă electrică, este un dispozitiv care produce energie electrică dintr-o reacție chimică. Strict vorbind, o baterie este formată din două sau mai multe celule conectate în serie sau paralele, dar termenul este în general utilizat pentru o singură celulă. O celulă este formată dintr-un electrod negativ; un electrolit, care conduce ioni; un separator, de asemenea un conductor ionic; și un electrod pozitiv. Electrolitul poate compus din apă) sau sub formă lichidă, pastă sau solidă. Când celula este conectată la o sarcină externă sau la un dispozitiv care urmează să fie alimentat, electrodul negativ furnizează un curent de electroni care curg prin sarcină și sunt acceptate de electrodul pozitiv. Când se înlătură sarcina externă, reacția încetează.

O baterie primară este cea care își poate transforma substanțele chimice în electricitate o singură dată și apoi trebuie aruncată. O baterie secundară are electrozi care pot fi reconstituiți prin trecerea energiei electrice înapoi; numită și o baterie de stocare sau reîncărcare, poate fi reutilizată de multe ori.

Fig. 3.4.8 Celula galvanica

Bateria consistă în una sau mai multe celule, conectate în serie sau în paralel, sau ambele, în funcție de tensiunea de ieșire și de capacitate. Celula este unitatea electrochimică de bază, care furnizează sursă de energie electrică prin conversia directă a energiei chimie. Celula este formată dintr-un ansamblu de electrozi, electroliți, separator si carcasa. Bateria contine una sau mai multe celule electrochimice, conectate electrochimic în serie sau în paralel pentru a genera tensiunea de operare și nivelul de curent dorite.

Celula este formată din trei componente:

 Anodul sau electrodul negativ (electrodul reducator) – cedează electroni circuitului extern și este oxidat in timpul reacției electrochimice;

 Catodul, electrodul pozitiv (electrodul oxidant) – acceptă electroni din circuitul extern și se reduce în timpul reacției electrochimice;

 Electrolitul (conductorul ionic) – furnizează mediul de transfer de energie, ioni, în interiorul celulei, între anod si catod. Electrolitul este, în mod normal, un lichid, precum apa sau alți solvenți cu săruri dizolvate, care sunt ionice și conductoare la temperatura de operare a celulei.

O baterie se incarcă atunci cand primeste curent, refăcând diferentele chimice dintre placi. Bateria poate fi considerată reîncărcată total când se reinstaleaza diferentele chimice dintre placi, iar ea poate furniza din nou curent.

Fig. 3.2.9 Procesul de incarcare

Atunci când o baterie este conectată la o sarcină ce are nevoie de curent, oricare consumator, curentul iese din baterie si bateria incepe sa se descarce.

Fig. 3.2.10 Procesul de descărcare

Cele mai avantajoase combinații de materiale folosite pentru anod și catod sunt acelea care au cea mai mică greutate și conferă celulei un voltaj ridicat și o capacitate mare. Aceste combinații nu vor fi mereu practice datorită reactivtății cu restul componentelor celulei, polarizării, costurilor ridicate.

3.4.3 TIPURI DE BATERII

Bateriile se clasifică în doua catergorii:

– Baterii primare sau de unica folosința/ nereîncarcabile

– Baterii secundare sau reîncărcabile

3.4.3.1 Bateriile de unică folosință (primare)

Bateriile primare sau de unică folosință pot produce curent imediat la asamblare. În mod uzual acest tip de baterii sunt utilizate în dispozitivele care au un curent redus de sarcină, care funcționează intermitent sau care le utilizează ca sursă de alimentare de rezervă în situația în care sursa principală de alimentare lipsește pe perioade scurte de timp.

Bateriile de unică folosință au densități de energie mai mari decât bateriile reîncărcabile, dar bateriile de unică folosință nu se descurcă bine în cazul aplicațiilor cu curent mare de sarcină.

Producătorii bateriilor de unică folosință interzic reîncărcarea lor, deoarece reacțiile chimice interne nu pot fi reversate fără a elimina riscul unor reacții chimice necontrolabile.

Tipurile obișnuite de baterii de unică folosință includ bateriile zinc-carbon și bateriile alcaline.

Bateriile Zinc-Carbon/ Clorură-Zinc

O baterie zinc-carbon este o baterie de unică folosință cu celulă uscată care furnizează curent electric direct din reacția electrochimică dintre dioxidul de zinc și mangan. Produce o tensiune de aproximativ 1,5 volți între anodul de zinc, care se realizează de obicei ca un recipient pentru baterie și o tijă de carbon cu polaritate pozitivă, catodul, care colectează curentul din electrodul de dioxid de mangan, dând celulei numele său.

Bateriile de uz general pot utiliza o pastă apoasă de clorură de amoniu ca electrolit, posibil amestecată cu o soluție de clorură de zinc. Tipurile grele utilizează o pastă compusă în principal din clorură de zinc.

Bateriile zinc-carbon au fost primele baterii uscate din comerț, dezvoltate din tehnologia celulei umede Leclanché. Au făcut posibile lanterne și alte dispozitive portabile, deoarece bateria funcționează în orice orientare. Sunt încă utile în dispozitive cu scurgere redusă sau cu utilizare intermitentă, cum ar fi telecomenzi, lanterne, ceasuri sau radiouri cu tranzistoare.

Bateria clorură-zinc, denumită frecvent o baterie pentru sarcini grele (”heavy-duty”), extra-grele (”extra-heavy-duty”) sau chiar super-grele (”super-heavy-duty”), este o îmbunătățire a celulei originale zinc-carbon, utilizând substanțe chimice mai pure, oferă o durată de viață mai lungă și o ieșire de tensiune mai constantă. Această baterie oferă o durată de viață de aproximativ două ori mai mare a celulelor zinc-carbon de uz general, sau de până la patru ori mai mare în aplicații cu curent de sarcină mare sau cu utilizare continuă. Cu toate acestea, durata de viață oferită este doar o fracțiune din producția unei celule alcaline.

Probleme constructive ale bateriilor zinc-carbon: bateriile zinc-carbon au o perioadă de valabilitate scurtă, deoarece zincul este atacat de clorura de amoniu atacă zincul. Carcasa exterioară de zinc se subțiează pe pe măsură ce bateria este utilizată. Când recipientul de zinc se subțiază suficient și se găurește, clorura de zinc începe să se scurgă din baterie. Carcasa de zinc a bateriei se subțiează chiar și atunci când aceasta nu este utilizată.

În Europa, eliminarea bateriilor este controlată de Directiva WEEE și de reglementările Directivei privind bateriile și, ca atare, bateriile zinc-carbon nu trebuie aruncate cu deșeurile menajere. În UE, majoritatea magazinelor care vând baterii sunt obligate prin lege să accepte bateriile vechi pentru reciclare.

Bateriile alcaline

Bateria alcalină este o baterie de unică folosință care utilizează reacția dintre zincul metalic și dioxidul de mangan pentru a genera energie.

În comparație cu bateriile zinc-carbon din celulele Leclanché sau cu bateriile clorură de zinc, bateriile alcaline au o durată de viață mai mare și o densitate mai mare de energie, asigurând la borne aceeași tensiune (1,5V).

Numele bateriei alcaline provine de la faptul că utilizează un electrolit alcalin de hidroxid de potasiu în locul electrolitului de clorură de amoniu acid sau clorură de zinc al bateriilor zinc-carbon. Alte sisteme de baterii folosesc, de asemenea, electroliți alcalini, dar utilizează diferite materiale active pentru electrozi.

Peste 10 miliarde de bateriile alcaline sunt produse în întreaga lume. Bateriile alcaline conțin dioxid de zinc și mangan, care pot fi toxice în concentrații mai mari. Cu toate acestea, comparativ cu alte tipuri de baterii, toxicitatea bateriilor alcaline este moderată.

Singurul dezavantaj al bateriilor alcaline comparativ cu bateriile zinc carbon este costul mai mare pe ora de utilizare pentru aplicații cu curent mic de sarcină.

3.4.3.2. Bateriile reincărcabile (secundare):

Bateriile reîncărcabile, denumite în literatura de specialitate și baterii secundare, spre deosebire de bateriile de unică folosință, trebuie încărcate înainte de prima utilizare. Ele sunt asamblate de obicei cu materiale active în stare descărcată. Bateriile reîncărcabile sunt (re)încărcate prin aplicarea curentului electric, care inversează reacțiile chimice care apar în timpul descărcării / utilizării. Dispozitivele care furnizează curentul corespunzător se numesc încărcătoare.

Timp de mai mulți ani, NiCd a fost singura baterie reîncărcabilă pentru aplicații portabile. În anii 90, ecologiștii din Europa au fost îngrijorați de prejudiciul suferit atunci când NiCd este eliminat in mediul natural . Directiva privind bateriile 2006/66 / CE restricționează acum vânzarea de baterii NiCd în Uniunea Europeană, cu excepția utilizării industriale speciale pentru care nu este adecvată nicio înlocuire. Alternativa la Ni-Cd este nichel-metal-hidrură (Ni-MH), o baterie mai ecologică, similară cu NiCd.

Majoritatea activităților de cercetare se concentrează astăzi în îmbunătățirea sistemelor bazate pe litiu (Li), comercializate pentru prima dată de Sony în 1991. Pe lângă alimentarea telefoanelor celulare, a laptopurilor, a camerelor digitale, a sculelor electrice și a dispozitivelor medicale, Li-ion este folosit și pentru vehicule electrice și sateliți. Bateria are o serie de avantaje, în special în ceea ce privește energia specifică ridicată, încărcare simplă, întreținere redusă și fiind inofensiva pentru mediu.

O baterie acumuleaza energie pentru a putea fi utilizata ulterior. Cand doua placi metalice, respectiv un electrod pozitiv si unul negative sunt scufundate intr-o solutie de acid sulfuric si apa, se produce o reactive chimică care dezvolta o tensiune. Intr-o baterie tipica plumb-acid, tensiunea este de 2V pe celula, astfel incat 6 celule, de exemplu, produc 12V. Daca intre polul pozitiv si negativ se conecteaza un consumator de energie, producându-se astfel un circuit de curent, bateria cedeaza energie deci va alimenta consumatorul.

O baterie de plumb-acid functioneaza într-un proces constant de încărcare-descărcare. Atunci când bateria este cuplată la un consummator de curent, cum ar fi de exemplu demarorul unei mașini, bateria debitează curent și incepe să se descarce. În procesul invers, bateria începe sa se încarce atunci cand atrage curent restabilind diferența chimică între cele doua plăci.

Atunci când o baterie se descarcă, placile se uniformizeaza d.p.d.v. chimic, acidul devine mai slab și tensiunea scade.Este posibil ca bateria să se descarce atât de mult încât nu mai poate debita electricitate la o tensiune utilizabilă. O baterie descărcată poate fi reîncarcată prin introducerea de curent electric in ea. O încărcare complete restabilește diferența chimică dinte plăci si face din nou bateria capabila să debiteze energie.

Datorită acestui ciclu unic de încărcare și descărcare dintr-o baterie plumb-acid, energia poate fi mereu stocată și restocată. Cu cât o baterie poate fi mai des încărcata și descărcată cu atât este mai rezistentă la cicluri.

Bateria cu nichel-cadmiu

Prima baterie NiCd a fost creată de Waldemar Jungner din Suedia în 1899. Au fost utilizați pe scară largă până prin anii 1990 când au pierdut teren în fața altor tipuri de baterii reîncărcabile.

Această baterie folosește oxid de nichel în electrodul său pozitiv (catod), un compus de cadmiu în electrodul său negativ (anod) și soluția de hidroxid de potasiu ca electrolit. Bateria Nickel-Cadmium este reîncărcabilă, astfel încât poate circula în mod repetat. O baterie de nichel-cadmiu transformă energia chimică în energie electrică la descărcare și transformă energia electrică înapoi în energie chimică la reîncărcare. Într-o baterie NiCd complet descărcată, catodul conține hidroxid de nichel [Ni (OH) 2] și hidroxid de cadmiu [Cd (OH) 2] în anod. Când bateria este încărcată, compoziția chimică a catodului este transformată și hidroxidul de nichel se schimbă la oxidroxidul de nichel [NiOOH]. În anod, hidroxidul de cadmiu este transformat în cadmiu. Pe măsură ce bateria este descărcată, procesul se inversează, așa cum se arată în formula următoare.

Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

Un acumulator Ni-Cd are o tensiune la borne în timpul descărcării de aproximativ 1,2 volți, care scade puțin până aproape de sfârșitul descărcării.

Încărcarea bateriilor Ni–Cd: Aceste baterii pot fi încărcate la mai multe valori de curent, în funcție de modul în care a fost fabricată bateria. Valoarea curentului constant de încărcare cu care este alimentată bateria este calculat pe baza procentului din capacitatea de amperi-oră. Indiferent de viteza de încărcare, bateriei trebuie să îi fie furnizată mai multă energie decât capacitatea sa reală, pentru a ține cont de pierderile de energie în timpul încărcării, încărcările mai rapide fiind mai eficiente. În timpul încărcărilor rapide crește foarte mult riscul supraîncălzirii și ventilării bateriilor din cauza unei condiții de suprapresiune internă: rata de creștere a temperaturii celulei depinde de rezistența sa internă și de pătratul valorii curentului de încărcare. La o valoare de 4C(A), cantitatea de căldură generată în celulă este de șaisprezece ori mai mare decât căldura la valoarea de 1C(A). Dezavantajul unei încărcări mai rapide este riscul mai mare de supraîncărcare, care poate deteriora bateria, iar temperaturile crescute pe care bateria trebuie să le suporte îi pot scurta durata de viața.

Gama de temperatură sigură în timpul utilizării este între -20°C și 45°C. În timpul încărcării, temperatura bateriei rămâne de obicei scăzută, aproximativ la fel ca temperatura ambiantă (reacția de încărcare absoarbe energia), dar pe măsură ce bateria se apropie de încărcare completă, temperatura va crește la 45-50 ° C. Unele încărcătoare de baterii detectează această creștere a temperaturii pentru a întrerupe încărcarea și a preveni supraîncărcarea.

Când nu are sarcină sau nu este în proces de încărcare, o baterie Ni-Cd se va descărca de la sine la aproximativ 10% pe lună la 20 °C, variind până la 20% pe lună la temperaturi mai ridicate. Este posibil să efectuați o încărcare de menținere la valori de curent suficient de mari pentru a compensa acest procent de descărcare pentru a menține bateria complet încărcată.

Bateriile sigilate Ni-Cd sunt formate dintr-un recipient sub presiune care ar trebui să rețină gazele (oxigen și hidrogen) generate în timpul încărcării și descărcării rapide și în mod excesiv la supraîncărcare, până când acestea se pot recombina înapoi în apă. Dacă presiunea depășește limita supapei de siguranță, se pierde apă sub formă de gaz. Deoarece vasul este proiectat să conțină o cantitate exactă de electrolit, această pierdere va afecta rapid capacitatea bateriei (capacitatea de a primi și genera curent). Pentru a monitoriza procesul de încărcare astfel încât sa se evite supraîncărcarea, sunt necesare încărcătoare sofisticate.

Bateriile ventilate Ni-Cd (baterii umede, baterii înecate) sunt utilizate atunci când sunt necesare capacități mari și valori mari de descărcare. Bateriile tradiționale NiCd sunt de tip sigilat, ceea ce înseamnă că gazul de încărcare este în mod normal recombinat și nu se eliberează gaz decât dacă este supraîncărcat sau dacă apare o defecțiune. Spre deosebire de acumulatorii NiCd sigilați, bateriile ventilate au o supapă de degajare sau de presiune scăzută care eliberează orice gaz (oxigen și hidrogen) generat atunci când este supraîncărcat sau descărcat rapid. Deoarece bateria nu este un recipient sub presiune, este mai sigură, cântărește mai puțin și are o structură mai simplă și mai economică. Aceasta înseamnă, de asemenea, că bateria nu este în mod normal deteriorată de supraîncărcare excesivă, descărcare sau chiar conectare greșită.

Utilizare: Bateriile Ni-Cd sigilate pot fi utilizate individual sau asamblate în grupuri care conțin două sau mai multe baterii individuale. Celulele mici sunt utilizate pentru electronice și jucării portabile. Bateriile Ni-Cd de specializate sunt utilizate în telefoanele fără fir, iluminatul de urgență și alte aplicații. Cu o rezistență internă relativ scăzută, pot furniza curenți mari de suprasarcină. Această proprietate le face să fie o alegere bună pentru unelte electrice fără fir, jucării cu telecomandă (avioane, bărci și mașini electrice), precum și lămpi tip bliț ale aparatelor foto.

Bateriile înecate mai mari sunt utilizate la vehicule electrice, ca sursă de tensiune de rezervă (UPS), și ca baterii pentru pornirea avioanelor.

DEZAVANTAJE:

– Au o rată mare de autodescărcare;

– Efectul de Memorie și Efectul de Baterie Leneșă

Bateriile Ni–Cd pot suferi un „efect de memorie” dacă sunt descărcate și reîncărcate din același punct de descărcare de sute de ori. Simptomul aparent este că bateria „își amintește” punctul din ciclul său de încărcare în care a început reîncărcarea și în timpul utilizării ulterioare suferă o scădere bruscă a tensiunii în acel moment, ca și cum bateria ar fi fost descărcată. Capacitatea bateriei nu este de fapt redusă substanțial. Bateria suportă mii de cicluri de încărcare / descărcare. Este posibil să se micșoreze sau elimine efectul de memorie al bateriei prin descărcări periodice complete.

Un efect cu manifestare asemănătoare cu cele ale efectului de memoriei este așa-numitul ”efect de baterie leneșă”. Acest fenome apare în sitiația unor supraîncărcări repetate; în această situație bateria pare să fie complet încărcată, dar se descarcă rapid după doar o scurtă perioadă de funcționare. Uneori capacitatea diminuată poate fi în mare măsură redobândită prin câteva cicluri de descărcare profundă-încărcare, funcție care este asigurată de încărcătoarele automate de baterii.

– Bateria prezintă un coeficient de temperatură negativă foarte mare. Aceasta înseamnă că rezistența internă scade, pe măsură ce temperatura bateriei crește.

– Problema toxicități – bateriile conțin între 6% și 18% cadmiu, care este un metal greu toxic și, prin urmare, necesită îngrijire specială în timpul eliminării bateriei.

AVANTAJE:

– Bateriile Ni-Cd sunt mai greu de deteriorat decât alte baterii, tolerând descărcări profunde pentru perioade lungi de timp. Bateriile depozitate pe termen lung sunt de obicei stocate complet descărcate. Acest lucru este în opoziție, cu bateriile Li-Ion, care sunt mai puțin stabile și vor fi deteriorate permanent dacă sunt descărcate sub o tensiune minimă;

– Bateria Ni-Cd funcționează foarte bine în condiții dificile;

– Bateriile Ni–Cd suportă un număr mai mare de cicluri de încărcare-descărcare, decât alte baterii reîncărcabile (de exemplu bateriile cu plumb-acid);

– Bateriile Ni–Cd au o densitate de energie mult mai mare decât bateriile blumb-acid. Au un volum și o masă mai mică; totuși nu se păstrează acest avantaj în comparație cu bateriile Ni-MH sau Li-ion;

– Tensiunea la bornele unei baterii Ni-Cd scade mai lent pe măsură ce este descărcată, decât oricărei alte baterii;

– Capacitatea bateriilor Ni-Cd nu este afectată semnificativ de curenții de descărcare foarte mari. Chiar și cu curenti de descărcare de până la 50C, o baterie Ni-Cd va oferi aproape capacitatea sa nominală. Comparativ, o baterie cu Pb-Acid va furniza aproximativ jumătate din capacitatea sa nominală atunci când este descărcată cu un curent relativ mic de 1,5C.

– Curentul continuu maxim de descărcare al bateriei Ni-Cd este în jurul a 15C.

Recent, bateriile cu Ni-MH (nichel – hidrură de metal) și Li-Ion (litiu-ion) au devenit disponibile în comerț la un preț mai mic decât bateriile Ni-Cd. Bateriile Ni-Cd sunt acum dezavantajate în comparație cu bateriile Ni-MH și Li-Ion, atunci când se compară densitatea energetică.

Bateria nichel – hidrură de metal (NI-MH)

Munca la bateriile Ni-MH a început la Centrul de Cercetare Battelle-Geneva ca urmare a invenției tehnologiei în 1967. Interesul a crescut în anii 1970 odată cu comercializarea bateriei nichel-hidrogen pentru aplicații legate de sateliți. Tehnologia hidrurii promitea o modalitate alternativă, mai puțin voluminoasă de a stoca hidrogenul.

Bateria Ni-MH funcționează în electrolit NiO(OH) concentrat (hidroxid de potasiu), la fel ca bateriile Ni-Cd. Reacțiile electrodului dintr-o baterie de nichel-hidrură de metal sunt următoarele:

Catod (+): NiOOH + H2O + e- Ni (OH) 2 + OH-

Anod (-): (1 / x) MHx + OH- (1 / x) M + H2O + e-

Per total: (1 / x) MHx + NiOOH (1 / x) M + Ni (OH) 2 (3)

Electrolitul KOH poate transporta numai ioni și, pentru a echilibra transportul de sarcină, electronii trebuie să circule prin sarcina externă. Electroxidul de hidroxid de nichel (ecuația 1) a fost intens cercetată și caracterizată, iar aplicarea sa a fost demonstrată pe scară largă atât pentru aplicații terestre cât și aerospațiale.

Bateriile Ni-MH au tensiunea nominală de 1.2V pe celulă. Tensiunea de încărcare a bateriilor este cuprinsă între 1.4-1.6 V pe celulă. Modul de încărcare cu tensiune constantă nu poate fi utilizată pentru încărcarea automată. Pentru încărcarea rapidă, ar trebui utilizat un încărcător inteligent pentru a evita supraîncărcarea, care poate deteriora bateria. Pentru a preveni deteriorarea bateriilor, încărcătoarele automate rapide trebuie să-și încheie ciclul de încărcare înainte de a se produce supraîncărcarea. O metodă este de a monitoriza variația tensiunii în timp. Când bateria este complet încărcată, tensiunea la bornele sale scade ușor. Încărcătorul poate detecta acest lucru și poate opri încărcarea. Această metodă este adesea utilizată cu celule de Ni-Cd, care afișează o cădere mare de tensiune la încărcare completă. La descărcare tensiunea la borne nu trebuie să scadă sub 1.1V-1V/ element. Descărcarea elementului de baterie sub valoarea menționată anterior poate duce la defectul ireversibil al acestuia din cauza reversării polarității. Acest fenomen apare la baterii cu mai multe elemente înseriate. De aceea trebuie să se evite conectarea în serie a unor baterii cu grade de incărcare diferite.

O baterie NiMH poate avea de două până la trei ori capacitatea unei dimensiuni echivalente Ni-Cd, iar densitatea sa de energie se poate apropia de cea a unei baterii Li-Ion.

Celulele Ni-MH sunt avantajoase pentru aplicații cu curent mare de descărcare, în principal datorită rezistenței lor interne mai mici.

Dezavantajul principal este rata de auto-descărcare mai mare (30%/lună) față cea a bateriei Ni-Cd (20%/lună) în condiții de depozitare identice. Rata de descărcare depinde de temperatura de stocare, mărindu-se odată cu creșterea temperaturii

Bateriile Ni-HM sunt utilizate în mod uzual în aceleași aplicații ca și bateriile Ni-Cd sigilate, pe care le-au și înlocuit. O altă aplicație în care au fost folosite este cea a vehiculelor full-electrice sau hibride. În ultimii ani bateriile Ni-MH au fost înlocuite cu baterii pe litiu.

Baterie cu nichel – hidrogen (Ni-H2)

Bateria de Ni-H poate fi considerată un hibrid între bateria de nichel-cadmiu și celula de combustibil. Electrodul cadmiu a fost înlocuit cu un electrod cu gaz de hidrogen. Această baterie este mult diferită vizual de bateria Ni-Cd, deoarece celula este un recipient sub presiune, care trebuie să conțină până la 1000psi de gaz hidrogen. Este semnificativ mai ușor decât nichel-cadmiu, dar este mai greu de ambalat.

Bateriile nichel-hidrogen sunt uneori confundate cu bateriile cu hidrură de nichel-metal, bateriile întâlnite în mod obișnuit în telefoanele mobile și laptopurile. Bateriile de nichel-hidrogen, precum și bateriile de nichel-cadmiu folosesc același electrolit, o soluție de hidroxid de potasiu, care este denumită în mod obișnuit.

În timp ce densitatea energiei este de doar o treime ca cea a unei baterii cu litiu, virtutea distinctivă a bateriei de nichel-hidrogen este durata sa de viață extrem de lungă. Această caracteristică o face atractivă pentru stocarea energiei energiei electrice în sateliți.

Acumulatori Li-Ion

Acumulatorii Li-Ion produc aceeași energie ca și acumulatorii Ni-MH, dar cântaresc cu aproximativ cu 20% -35% mai puțin. În prezent, au devenit sursa de alimentare standard pentru dispozitivele portabile, devenind utilizați inclusiv în industria aerospațială, segmentul militar și la mașini electrice.

Generic numiți acumulatori Li-Ion, vorbim, de fapt, de o adevărată tehnologie, care furnizează proprietăți, structură și performanțe diferite în funcție de materialele utilizate. În funcție de structura lor, sunt mai multe tipuri de acumulatori Li-Ion:

– LiCoO2 (LiCoO2 la catod, grafit la anod) sau LCO este recomandat pentru telefoane mobile, laptop-uri și camere digitale. Este alcătuit dintr-un catod din oxid de cobalt și un anod din grafit de carbon. Catodul are o structură stratificată și, în timpul descărcării, ionii de litiu se deplasează de la anod la catod. Procesul se inversează la încărcare. Folosit la telefoane mobile, camere de filmat, tablete, laptopuri.

– LiMn2O4 (LiMn2O4 la catod, grafit la anod) sau LMO folosește dioxid de mangan ca material de catod. Utilizat pentru aparatură medicală, grupuri propulsoare, unelte electrice.

– LiNiMnCoO2 (LiNiMnCoO2 la catod, grafit la anod) sau NMC este unul dintre cele mai de succes celule Li-Ion care se bazează ca material catod pe combinația nichel-mangan-cobalt. Pentru uz industrial, aparatură medicală, e-bike.

– LiFePO4 (LiFePO4 la catod, grafit la anod) sau LFP. În 1996, Universitatea din Texas a descoperit fosfatul ca material catod pentru acumulatorii cu litiu. Litiu-fosfat oferă performanțe electrochimice bune și are rezistență internă scăzută. Pentru aparatură portabilă și staționară care necesită curent mare de încărcare și anduranță.

– LiNiCoAlO2 (LiNiCoAlO2 la catod, grafit la anod) sau NCA, există din 1999 pentru aplicații speciale. Este asemănătoare cu NMC oferind energie specifică ridicată, o putere specifică rezonabilă de bună și o durată lungă de viață. Siguranța și costul nu sunt atât de bune. NCA este o dezvoltare ulterioară a oxidului de nichel de litiu; adăugarea de aluminiu conferă compoziției chimice o stabilitate mai mare.

– Titanat de Litiu (Li-Mn la catod, Li2TiO3 la anod) sau LTO, sunt cunoscute încă din anii 1980. Li-titanatul înlocuiește grafitul din anodul unei baterii tipice litiu-ion, iar materialul se formează într-o structură de spinel. Catodul poate fi oxid de litiu mangan sau NMC. Li-titanatul are o tensiune nominală a celulei de 2,40V, poate fi încărcat rapid și oferă un curent mare de descărcare de 10C, sau de 10 ori capacitatea nominală. Numărul de cicluri este mai mare decât cel al unui Li-ion obișnuit. Li-titanatul este sigur, are caracteristici excelente de descărcare la temperatură scăzută (obține o capacitate de 80% la –30°C) și o durată de viață îmbunătățită

Greutatea redusă le recomandă pentru dispozitive precum lanterne reîncărcabile, telefoane mobile, camere video sau notebook-uri, unde bateria reprezintă o parte semnificativă din greutatea totală, care trebuie să fie cât mai redusă. Un alt motiv pentru care bateriile Li-Ion au devenit atât de populare este faptul ca nu suferă într-o măsură mult mai mică decât celelalte tipuri de “ efectul de memorie”.

Bateria plumb-acid

Bateria plumb-acid a fost inventată în 1859 de către fizicianul francez Gaston Planté și este cel mai vechi tip de baterie reîncărcabilă. În ciuda faptului că are un raport energie-greutate foarte scăzut și un raport energie-volum scăzut, capacitatea sa de a furniza curenți mari de suprasarcina înseamnă că celulele au un raport putere-greutate relativ mare. De asemenea au un raport preț-putere mic.

Bateria Pb-Acid (Baterie Imersată) este o baterie alcătuită din serii de plăci din Pb sau aliaje pe bază de plumb, scufundate într-o soluție de acid sulfuric și apă. Fiecare placă are o grilă pe care este atașat materialul activ. Toate plăcile negative sunt conectate împreună la electrodul (-) și toate plăcile pozitive sunt conectate împreună la electrodul (+). Între plăcile pozitive și negative au fost montate plăci separatoare pentru a împiedica scurcircuitarea lor dar care permit reacțiile chimice.

Plumbul pur fiind prea moale pentru a se susține singur, se adaugă cantități mici de alte metale pentru a obține rezistența mecanică și pentru a îmbunătăți proprietățile electrice. Cei mai comuni aditivi sunt antimoniul, calciul, staniul și seleniul. Aceste baterii sunt adesea cunoscute sub numele de „plumb-antimoniu” și „plumb-calciu”.

Adăugarea de antimoniu și staniu îmbunătățește propritățile legate de descărcarea profundă, dar acest lucru mărește consumul de apă și crește nevoia de egalizare. Calciul reduce auto-descărcarea, dar placa pozitivă cu plumb-calciu are efectul secundar de creștere a grosimii datorită oxidării grilei atunci când este supraîncărcat. Bateriile moderne cu plumb acid folosesc, de asemenea, agenți dopanți precum seleniu, cadmiu, staniu și arsenic pentru a reduce conținutul de antimoniu și calciu.

Acumulatorul pe bază de Plumb-Acid este greu și este mai puțin rezistent decât cele pe bază de nichel și litiu atunci când este descărcat profund. O descărcare completă provoacă solicitări interne și fiecare ciclu de descărcare / încărcare răpește permanent căte o cantitate mică din capacitatea bateriei. Această pierdere este mică în timp ce bateria este în stare bună de funcționare, dar diminuarea crește odată ce performanța scade la jumătate din capacitatea nominală. Această caracteristică de uzură se aplică tuturor bateriilor în diferite grade.

În funcție de adâncimea de descărcare, bateria Pb-Acid pentru aplicații cu ciclu profund asigură 200 până la 300 de cicluri de descărcare / încărcare. Principalele motive ale duratei sale de viață relativ scurte sunt coroziunea rețelei pe electrodul pozitiv, epuizarea materialului activ și expansiunea plăcilor pozitive. Acest fenomen de îmbătrânire este accelerat la temperaturi de funcționare ridicate și la curenți mari de descărcare.

Încărcarea unei baterii cu plumb acid este simplă, dar trebuie respectate limitele corecte de tensiune. O valoare de tensiune scăzută de încărcare protejează bateria, dar aceasta produce performanțe slabe și provoacă acumularea de sulfat pe placa negativă. O valoare de tensiune mare de încărcare îmbunătățește performanța, dar formează coroziunea rețelei pe placa pozitivă. În timp ce sulfarea poate fi inversată, coroziunea este permanentă.

Bateria clasică Pb-Acid nu se pretează la încărcarea rapidă și, la majoritatea tipurilor, o încărcare completă durează 14-16 ore. Bateria trebuie păstrată întotdeauna la starea de încărcare completă. Încărcarea redusă determină sulfatarea, o afecțiune care diminuează performanța bateriei. Adăugarea de carbon pe electrodul negativ reduce această problemă, dar reduce energia specifică.

Plumbul are o durată de viață moderată, dar nu este supus memoriei, așa cum sunt sistemele pe bază de nichel, iar reținerea încărcării este cea mai bună dintre bateriile reîncărcabile. În timp ce Ni-Cd își pierde aproximativ 40% din energia stocată în trei luni, acidul de plumb se auto-descarcă aceeași cantitate într-un an. Bateria Pb-Acid funcționează bine la temperaturi scăzute și este superioară Li-Ion -ului atunci când funcționează în condiții sub zero.

Deoarece sunt ieftine în comparație cu tehnologiile mai noi, bateriile plumb-acid sunt utilizate pe scară largă chiar și atunci când curentul de suprasarcină nu este important și alte modele ar putea oferi densități de energie mai mari.

Pentru a elimina scurgerile de electrolit care apar la bateriile Pb-Acid imersate, au fost produse baterii la care separatoarele dintre plăci sunt înlocuite cu o țesătură din fibră de sticlă îmbibată în electrolit (Absorbent Glass Mat – AGM) și baterii cu electrolit pe bază de gel (Baterii cu Gel), cunoscute și sub numele generic de baterii plumb-acid fără întreținere sau baterii cu valvă regulatoare – VRLA (Valve Regulated Lead Acid) sau baterii plumb-acid sigilate – SLA (Sealed Lead Acid). Aceste tipuri de baterii sunt utilizate pe scară largă pentru stocarea energiei în surse de alimentare de rezervă pentru diferite aplicații unde alimentarea permanentă este critică (turnurile de telefonie mobilă, spitale, etc) și sisteme de alimentare autonome. Versiunile modificate ale celulei standard au îmbunătățite timpul de stocare și a reduce cerințele de întreținere.

BATERII VRLA (plumb-acid sigilate)

Prima baterie VRLA sau ”fără întreținere” a apărut la mijlocul anilor '70. Inginerii au susținut că termenul „blumb-acid sigilat” a fost un nume greșit, deoarece nicio baterie de acid de plumb nu poate fi sigilată în totalitate. Pentru a controla aerisirea în timpul încărcării stresante și a descărcării rapide, au fost adăugate supape care eliberează gaze dacă se acumulează presiune. În loc să scufunde plăcile într-un lichid, electrolitul este impregnat într-un separator umezit, un design care seamănă cu sistemele pe bază de nichel și litiu. Acest lucru permite operarea bateriei în orice orientare fizică, fără scurgeri. De asemenea și denumirea ”fără întreținere” nu este tocmai corectă. Bateriile VRLA necesită în continuare curățare și teste funcționale regulate.

Există mai multe tipuri de baterii Pb-Acid sigilate sau ”fără întreținere. Cele mai frecvente sunt bateriile cu separatoare din țesătură absorbantă din fibră de sticlă (AGM) și bateriile cu gel, cunoscute și sub denumirea de acumulatori plumb-acid cu supapă regulatoare (VRLA).

Bateria VRLA cu AGM

AGM suspendă electrolitul într-o țesătură din fibră de sticlă special concepută. Acest lucru oferă mai multe avantaje pentru bateriile plumb-acid, inclusiv încărcare mai rapidă și curenți de sarcină mari instant la cerere.

Ca și în cazul bateriilor clasice plumb-acid, pentru a maximiza durata de viață a unei baterii AGM, este important să respectați specificațiile de încărcare ale producătorilor și se recomandă utilizarea unui încărcător cu tensiune constantă. Există o corelație directă între adâncimea de descărcare (DoD) și durata de viață a bateriei, cu diferențe între 500 și 1300 de cicluri în funcție de adâncimea de descărcare.

Acumulatorul AGM are o rezistență internă foarte scăzută, este capabil să furnizeze curenți mari la cerere și oferă o durată de viață relativ lungă, chiar și atunci când este descărcat profund. AGM nu necesită întreținere, asigură o bună fiabilitate electrică și este mai ușor decât bateria plumb-acid imersat. Bateria se comportă bine la temperaturi scăzute și are o auto-descărcare scăzută.

Principalele avantaje ale AGM sunt o încărcare care este de până la cinci ori mai rapidă decât versiunea imersată și capacitatea de a descărcare profundă. AGM oferă o adâncime de descărcare de 80%; bateriile imersate, pe de altă parte, au o specificație de 50% DoD pentru a atinge același ciclu de viață. Dezavantejele sunt o energie specifică ușor mai mică, sensibilitatea la supraîncărcări, sensibilitate la temperatură mare, și costuri de fabricație mai mari decât pentru bateriile imersate, dar mai mici decât bateria cu gel.

Bateria VRLA cu Gel

Prima baterie de plumb-acid gelifiat a fost dezvoltată în anii 1950 de Sonnenschein (Germania) a devenit populară în anii 1970. Amestecarea acidului sulfuric cu un agent de gelifiere cu siliciu transformă electrolitul lichid într-o pastă semi-rigidă pentru a face să nu fie necesară întreținerea gelului.

O baterie cu gel are o durată de viață în general mai mare decât bateria AGM; motivul este transferul căldurii către exterior îmbunătățit. Un alt avantaj al bateriei cu gelului este curba de performanță în formă de cupolă care permite bateriei să rămână în gama de performanțe ridicate în cea mai mare parte a duratei de viață înainte de a scădea rapid spre sfârșitul duratei de viață; AGM, în comparație, se estompează treptat.

Bateria cu gel este cunoscută pentru performanțele bune la temperaturi ambiante ridicate, este mai puțin predispusă la sulfatare decât alte tipuri de baterii, dar are nevoie de tensiunea corectă de încărcare și de ”floating”. În comparație, AGM este superior la temperaturi scăzute, cu o debitare mai bună a curentului datorită rezistenței interne scăzute. Numărul de cicluri încărcare-descărcare a bateriilor cu gel este mai mare decât al beteriilor AGM. Datorită rezistenței interne mai mari, bateriile cu gel nu sunt utilizate pentru aplicații cu curent ridicat.

Temperatura optimă de funcționare este 5C – 20oC. La temperaturi superioare acestui domeniu, durata de viață se reduce drastic, iar la temperaturi inferioare se reduce capacitatea de acumulare. În afara intervalului optim de temperatură este necesara de asemenea, compensarea tensiunii de incarcare cu temperature, lucru realizat de regulatoarele de incarcare cu senzor de temperature.

Bateriile cu gel sunt utilizate în mod obișnuit în UPS, mari și mici, în timp ce AGM este dedicat aplicațiilor care necesită pornire și cicluri profunde.

În ceea ce privește corespondența cu aplicația și costul, bateriile plumb-acid imersat au durata de viață cea mai mare atunci când sunt utilizate în modul de așteptare, dar sunt, de asemenea, cele mai scumpe și necesită întreținere prin reumplerea apei. Bateriile cu gel sunt mai ieftine decât cele imersate și sunt bateria preferată pentru instalațiile UPS. Bateriile AGM au un cost mai mic și sunt superioare bateriilor cu gel în ceea ce privește capacitatea de alimentare a sarcinilor. Acumulatorii AGM cu ciclu profund sunt utilizați în mod obișnuit în instalațiile solare și eoliene ”off grid” pentru stocarea a energiei.

Baterii solare

Bateriile sunt adesea utilizate în sistemele fotovoltaice în scopul stocării energiei produse de rețeaua fotovoltaică în timpul zilei și să o alimenteze la sarcini electrice după cum este necesar (în timpul nopții și perioade de vreme înnorată).

Fig. 3.2.11 Panouri solare

Pentru creșterea eficienței energetice a procesului de acumulare a energiei unul din factorii importanți este marirea capacitatii de stocare a energiei electrice produse cu ajutorul captării și conversiei energiei solare. În prezent acumularea energiei produse se face în baterii de acumulatori clasice și executate cu tehnologii moderne, care funcționează pe baza reacțiilor chimice dintre anod și catod, poli ai bateriei construiți din metale diferite, având potențial electric diferit.)

Noul tip de baterie are astfel potențialul de a asigura o sursa regenerabilă de electricitate, puțin poluantă și mai practică decât acumulatorii Li-Ion tradiționali.

Bateria solară este o inovație tehnologică de viitor cu eficiență mărită care poate schimba radical tehnologia viitorului. În prezent acumularea energiei solare nu a ajuns încă la perfecțiune deoarece o parte din energia acumultă este pierduta in timpul transmiterii ei spre o baterie externa dar în urma cercetărilor facute de experții americani de la universitatea din Ohio s-a demostrat ca se pot construi celule fotovoltaice cu baterie încorporate. Ei susțin că dispozitivul hibrid este mai eficient. Ei au venit cu idea unei îmbinări special de material ce permite pătrunderea aerului spre baterie. După ce lumina aerului este captată, electronii pot fi transferați de la panoul solar la electrodul bateriei. Noul material folosit este titanul. In schimb, celula fotovoltaică este legată de baterie cu trei electrozi, si nu cu patru, așa cum era până acum.

Bateriile folosite pentru stocarea energiei electrice produse în instalații ce folosesc surse regenerabile se deosebesc de restul bateriilor prin felul de dimensionare si variante constructive. Ele trebuie să livreze curenți de valori relative mici în funcție de puterea cerută de consumatori pe perioade lungi de timp (ore, zile, luni). Dimensionarea se face deci în acest scop. Plăcile sunt mai subțiri decât in cazul bateriilor auto de aceeași capacitate, de exemplu. În schimb ciclurile de incărcare-decărcare la care trebuie să reziste acest tip de baterii este de ordinul sutelor sau chiar al miilor la bateriile de înaltă performanță. De asemenea curentul de încărcare al bateriei produs de panourile fotovoltaice se face de regulatorul electronic de incărcare. In zilele însorite când razele solare cad perpendicular pe panoul solar, tensiunea produsă de panoul solar, poate ajunge la valori periculoase datorită curentului produs și introdus în bateria de acumulatori.

Bateriile solare sunt acumulatori cu numar ridicat de cicluri de functionare tip deep cycle. Bateriile folosite in aplicatiile solare pot fi acid FLA (flooded) sau sigilate VRLA. Bateriile solare VRLA sunt de tip AGM sau GEL. Tipul de baterie este important la setarea regulatorului de incarcare deoarece parametrii de incarcare difera de la un tip de acumulator solar la altul.

Fig. 3.4.12 Baterii solare

Regimuri de Funcționare:

Încărcare: la apariția luminii zilei, panoul solar produce current electric pe care încărcătorul îl transferă bateriei. Bateria acceptă toată energia produsă de panoul solar.

Absorbție: când bateria a ajuns la capacitatea nominală de încărcare și tensiunea nominală, regulatorul menține tensiunea constantă, indiferent cât se alimentează de la panoul solar. Această stare protejează bateria împotriva supraîncălzirii și formării de gaze în interiorul ei, lucru ce ar putea genera explozii, dacă presiunea interioară crește prea mult.

Egalizare: fiecare baterie are nevoie din timp în timp de egalizarea nivelului electrolitului din celule, a egalizării concentrației electrolitului din fiecare celulă, a reacțiilor chimice care se petrec in fiecare celulă a bateriei.

Așteptare: după reîncărcare, bateria este indicat să nu mai fie alimentată la tensiunea nominală și regulatorul reduce automat tensiunea de la panoul solar.

Una din masurile care lungesc viața bateriei este faza de egalizare. Aceasta este indicat sa se facă o data pe luna. Sunt doua fenomene care conduc la reducerea fiabilității unei baterii:

Desulfurarea plăcilor de plumb, prin formarea de cristale de sulf, căzute din masa active a plăcilorș fenomenul se petrece când nivelul acidului sulfuric scade sub nivelul de sus al plăcilor de plumbs refacerea masei active este un process greu reversibilș se poate active printr-o reîncărcare complete a baterieiș dacă fenomenul a devenit cronic, viața bateriei scade drastic, într-un timp scurt; este principal cauză de distrugere a bateriilor ce funcționează în system de conversie din energie primară solară, eoliană sau orice tip care presupune acumulare de energie electrică produsă;

Modificarea tensiunii individuale pe fiecare celulă component a bateriei; este fenomenul când elementele vecine ale bateriei au tensiuni diferite; acest lucru se intâmplă când reacțiile chimice din fiecare element sunt de intensitate diferite; acest lucru se poate întâmpla când densitatea electrolitului are nivel si valoare diferită în elementele vecibne bateriei sau când masa active s-a deteriorate diferit in celulele vecine bateriei.

Fig. 3.4.13 Stadiile de funcționare ale unui regulator de încărcare baterii solare

Bibliografie

[1] Dell, Ronald; Rand, David (2001), „Understanding Batteries”, Royal Society of Chemistry, 86: 2–4, Bibcode:1985STIN…8619754M, ISBN 0-85404-605-4.

[2] Stewart, Joseph (2001), Intermediate Electromagnetic Theory, World Scientific, p. 50, ISBN 981-02-4471-1)

[3] Baigrie, Brian (2007), Electricity and Magnetism: A Historical Perspective, Greenwood Press, pp. 7–8, ISBN 0-313-33358-0

[4] Chalmers, Gordon (1937), „The Lodestone and the Understanding of Matter in Seventeenth Century England”, Philosophy of Science, 4 (1): 75–95, doi:10.1086/286445

[5] U.P.B. Facultatea de Chimie Aplicată și Știința Materialelor: Performanța electrochimică și proprietățile chimice ale materialelor oxidice precum bateriile Li-ion reîncărcabile – referat: Irina Ciovica

[6] GP Nickel Cadmium Technical Handbook

[7] Goodman, Marty (1997-10-13). "Lead-Acid or NiCd Batteries?

[8] David Linden, Thomas Reddy, Handbook of Batteries Third Edition, McGraw-Hill, 2001, ISBN 0071359788, chapters 27 and 28

[8] www. Encyclopedia Britannica.com

[9] "NiMH Battery Charging Basics". PowerStream.com.

[10] https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_metal_hydride

[11] Rechargeable Batteries — compared and explained in detail". – https://michaelbluejay.com/batteries/rechargeable.html

[12] https://data.energizer.com/pdfs

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel%E2%80%93hydrogen_battery

[14] https://batteryuniversity.com/learn/article/nickel_based_batteries

[14] https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion

[15] https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries

[17] http://lead-acid.com/lead-acid-battery-history.shtml

[18] https://www.electronica-azi.ro/2013/12/11/bateriile-electrice-reincarcabile-pb-acid/

[19] www.solar-depot.ro

[20]https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/bu_201b_gel_lead_acid_battery

[21] https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries

[22] AGM Discharge Characteristics : Modified on: Mon, 6 Oct, 2014". Support.rollsbattery.com. Retrieved 19 February 2019.

[23] Lucian, Victor Emilian (2014), Energia solara. Ghid de captare si conversie a energiei solare pentru utilizare, Editura: UNIVERSITARA ISBN: 606-28-0057-4