Secondo la definizione riportata da Wikipedia , l'idrogeno verde è "prodotto dall'elettrolisi dell'acqua, utilizzando energia elettrica rinnovabile". Questo fattore chiave di differenziazione è che viene prodotto con energia elettrica rinnovabile, a differenza di altre forme di idrogeno, come l'idrogeno blu . Questo lo rende una parte essenziale della prossima fase della transizione energetica.

La caratteristica decisiva dell'idrogeno verde è che questo vettore energetico chimico può essere generato esclusivamente con energia elettrica rinnovabile. Non richiede altri input di materiali, ad eccezione di una certa quantità di acqua. Una volta prodotto, può essere utilizzato come vettore energetico a sé stante o come prodotto di base per altri materiali di base rinnovabili. Esempi di tali materiali di base sono il metano sintetico rinnovabile, il metanolo verde, l'ammoniaca verde, ecc. Pertanto, la disponibilità sufficiente di idrogeno verde rappresenterà un importante passo avanti nella ricerca di soluzioni energetiche sostenibili.

Oltre all'elettrolisi dell'acqua, esistono altri modi per produrre il gas:

Gassificazione della biomassa: questo metodo prevede la conversione di materiale organico, come i rifiuti agricoli, in idrogeno gassoso, anidride carbonica e monossido di carbonio. In abbinamento alle tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS), le emissioni di carbonio possono essere significativamente ridotte. In alcuni casi, è possibile persino la loro completa rimozione.

Scissione fotoelettrochimica dell'acqua: questa tecnica all'avanguardia utilizza direttamente la luce solare per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno attraverso un processo che imita la fotosintesi. Sebbene sia ancora in fase di ricerca, promette di fornire un percorso diretto ed efficiente per la produzione di idrogeno tramite energia rinnovabile.

Coinvolgiamo il futuro dell'energia utilizzando l'idrogeno verde

Mentre continuiamo a innovare ed esplorare diversi metodi per produrre idrogeno verde, diventa chiaro che questo vettore energetico è più di un semplice prodotto. L'idrogeno verde è la strada verso un futuro sostenibile. Integrando l'idrogeno in vari settori, non stiamo solo rispondendo alla necessità di energia pulita. Stiamo gettando solide basi per un sistema economico sostenibile e avviando un dialogo su pratiche sostenibili, innovazione e cooperazione internazionale.

Idrogeno da elettrolisi

La produzione di idrogeno tramite elettrolisi prevede la decomposizione dell'acqua (H₂O) nei suoi elementi costitutivi, idrogeno (H₂) e ossigeno (O₂), utilizzando una corrente elettrica. Questo metodo è particolarmente significativo nel contesto dell'energia sostenibile, poiché produce idrogeno senza emissioni dirette di gas serra. La riduzione delle emissioni richiede che l'elettricità utilizzata sia rinnovabile.

Processo chimico

Il processo avviene in un elettrolizzatore, che in genere è costituito da due elettrodi (un anodo e un catodo) immersi in un elettrolita. Le molecole d'acqua vengono scisse a livello di questi elettrodi a causa dell'applicazione di corrente elettrica. Al catodo (elettrodo negativo) avviene una reazione di riduzione. Si produce idrogeno gassoso:

2H2 _​O + 2e ⁻ → H2_{​ +} 2OH ⁻

All'anodo (elettrodo positivo) avviene una reazione di ossidazione, con rilascio di ossigeno gassoso:

4OH ⁻ → O2_{​ +} 2H2 _​O + 4e ⁻

La combinazione delle due reazioni produce:

2H ₂ ​O (l) → 2 H ₂​ (g) + O ₂​ (g)

Tecnologia dell'elettrolizzatore

Diversi tipi di elettrolizzatori implementano il processo. Questo articolo fornisce un breve confronto tra i diversi metodi. Efficienza, robustezza e scalabilità sono sfide critiche per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi. Gli attuali livelli di efficienza variano tipicamente tra il 60% e l'80%. Sono in corso innovazioni nei materiali degli elettrodi, nella tecnologia delle membrane e nell'integrazione dei sistemi per ridurre i costi e migliorare l'efficienza. Queste innovazioni potrebbero trasformare l'elettrolisi in un pilastro dell'economia dell'idrogeno. Questa immagine (IEA) fornisce un'interessante panoramica sulla crescente maturità delle diverse tecnologie. L'elettrolisi non è l'unico metodo di generazione di idrogeno, ne esistono anche altri. Questo articolo fornisce una panoramica generale.

Confronto degli elettrolizzatori

La tecnologia degli elettrolizzatori per l'elettrolisi dell'acqua è in rapido sviluppo, con un numero crescente di modelli e produttori che emergono sul mercato. I progressi tecnologici e la crescente domanda di metodi efficienti per la produzione di idrogeno guidano questa crescita. Ciò è dovuto anche alla crescente consapevolezza che la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili crea un surplus. Questo surplus deve essere trattato (si veda, ad esempio, il nostro articolo sull'argomento qui ).

Panoramica delle tecnologie

Oggi è disponibile una gamma crescente di elettrolizzatori. Le diverse tecnologie offrono caratteristiche e vantaggi unici, ma presentano anche degli svantaggi. La tabella seguente fornisce una semplice panoramica comparativa delle diverse tecnologie di elettrolizzatori. Evidenzia dati chiave come efficienza, condizioni operative e scalabilità. La tabella fornisce una rapida panoramica. Il nostro team e i nostri partner sono a vostra disposizione per supportarvi nel vostro progetto in qualsiasi momento.

Caratterizzazione semplice delle diverse tecnologie di elettrolisi.

Altri metodi di generazione dell'idrogeno

Oltre alle tecnologie sopra riassunte, ce ne sono altre. Gli elettrolizzatori cloro-alcalini sono tra gli elettrolizzatori ad acqua più diffusi. Sono utilizzati in applicazioni industriali da decenni. Sono ideali per situazioni in cui vi è una domanda costante di idrogeno e una fornitura continua di elettricità. Le applicazioni superano spesso i 5 MW. Gli elettrolizzatori fotoelettrochimici (PEC) sono ancora nelle primissime fasi di sviluppo e stanno diventando commercialmente disponibili solo ora. Il reforming del metano con vapore (vedi anche questo articolo ) è un altro metodo comune per produrre idrogeno dal gas metano. È utilizzato principalmente nell'industria petrolifera e del gas. Tuttavia, il processo rilascia circa 10 kg di CO₂ per ogni kg di idrogeno prodotto. Pertanto, a meno che la CO₂ non venga catturata, è altamente inquinante. L'idrogeno prodotto con il reforming del metano con vapore è solitamente chiamato idrogeno grigio . Il reforming del metano con vapore è tipicamente utilizzato in impianti più grandi che rivendono idrogeno per i trasporti.

Inoltre, stanno emergendo metodi come la pirolisi della biomassa, la conversione dei rifiuti in idrogeno e i sistemi fotovoltaici (FV) con elettrolizzatori integrati. Tutti i metodi di generazione dell'idrogeno contribuiscono ad aumentare la disponibilità di idrogeno e aiutano l'evoluzione del settore.

Tecnologie di elettrolisi

Gli elettrolizzatori sono dispositivi che utilizzano l'elettricità per scindere l'acqua o altri elettroliti in idrogeno e ossigeno. Implementano un processo chiamato elettrolisi. Esistono diverse tecnologie di elettrolisi, ciascuna con i propri vantaggi, svantaggi e caratteristiche.

Categorie principali

L'elenco seguente riassume alcune tecnologie di elettrolisi comunemente utilizzate per fornire una panoramica:

• Elettrolizzatori alcalini: utilizzano un elettrolita alcalino liquido per il processo di elettrolisi, in genere una soluzione di idrossido di potassio (KOH). I sistemi operano a temperature relativamente elevate e solitamente producono idrogeno a pressioni medie di 10-30 bar(g). Sono utilizzati da diversi decenni. Gli elettrolizzatori alcalini sono efficienti, durevoli e relativamente economici. Alcune varianti producono idrogeno a una pressione appena superiore a quella ambiente.
• Elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEM): gli elettrolizzatori PEM utilizzano una membrana elettrolitica polimerica solida, come il Nafion , che consente il trasporto selettivo di protoni (H ⁺ ). Gli elettrolizzatori PEM operano a temperature inferiori e pressioni più elevate, pari a 30-40 bar(g), rispetto agli elettrolizzatori alcalini. Offrono tempi di risposta rapidi, elevata efficienza e flessibilità per un funzionamento dinamico. L'immagine seguente mostra una versione da laboratorio con un dispositivo di compressione e stoccaggio FLEXI HyCo .
• Cella elettrolizzante a ossido solido: questo tipo di elettrolizzatore opera a temperature elevate, tipicamente superiori a 600 °C, e utilizza un elettrolita ceramico solido, come la zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ). Questa tecnologia ha il vantaggio di essere reversibile, il che significa che un elettrolizzatore è allo stesso tempo anche una cella a combustibile in grado di produrre elettricità dall'idrogeno.
• Elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEM): gli elettrolizzatori AEM utilizzano una membrana a scambio anionico come elettrolita. Gli elettrolizzatori AEM sono una tecnologia emergente nel campo della produzione di idrogeno e stanno riscuotendo interesse per i loro potenziali vantaggi rispetto ad altre tecnologie di elettrolisi, in particolare per il fatto che non richiedono metalli rari come avviene in altre tecnologie.
• Elettrolizzatore fotoelettrochimico: questa tecnologia combina semiconduttori che assorbono la luce e processi elettrochimici per innescare la reazione di scissione dell'acqua. Gli elettrolizzatori utilizzano l'energia solare per generare l'elettricità necessaria per l'elettrolisi, eliminando la necessità di una fonte di alimentazione esterna.

Un compressore di idrogeno prodotto da GRZ e un elettrolizzatore PEM che produce circa 36 litri norm all'ora, ovvero circa 3,2 g _H2 /h.

Applicazioni

Nella fase relativamente iniziale dello sviluppo del settore, non è ancora emersa una chiara preferenza tecnologica per ciascuna applicazione. Tuttavia, di seguito sono riassunte le applicazioni tipiche per ciascuna tecnologia:

• Gli elettrolizzatori alcalini sono comunemente utilizzati in applicazioni industriali su larga scala e per la produzione di idrogeno, ma le nuove versioni possono essere utilizzate anche in combinazione con fonti di energia rinnovabile.
• Gli elettrolizzatori PEM sono adatti a diverse applicazioni, tra cui l'accumulo di energia rinnovabile, le stazioni di rifornimento di idrogeno e i sistemi distribuiti su piccola scala.
• Le celle elettrolitiche a ossidi solidi sono spesso descritte come una tecnologia adatta per applicazioni su larga scala in cui sono disponibili fonti di calore ad alta temperatura, come il calore di scarto in eccesso o l'energia rinnovabile. L'azienda Bloom Energy offre questa tecnologia e ha costruito elettrolizzatori relativamente grandi basati su di essa.
• Gli elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEM) sono una tecnologia emergente, con una sola soluzione attualmente disponibile in commercio. Un esempio di applicazione AEM in un progetto GRZ è il progetto EWB .
• Gli elettrolizzatori fotoelettrochimici sono ancora in una fase iniziale di sviluppo, ma promettono una produzione di idrogeno sostenibile e diretta alimentata dall'energia solare.

Conclusione

Ogni tecnologia di elettrolizzazione presenta i propri vantaggi, tra cui efficienza, condizioni operative, scalabilità e costi. La scelta della tecnologia di elettrolizzazione dipende da fattori quali l'applicazione, la scala di produzione, l'infrastruttura disponibile e i requisiti specifici del sistema. H2W ha integrato diversi produttori, da quelli di laboratorio a quelli di micro-MW, e può aiutarvi a realizzare il vostro progetto con successo.

Collocato in un edificio

Nel 2022 abbiamo consegnato un sistema di accumulo all'azienda italiana STE Energy . I quattro moduli di accumulo hanno una capacità totale di 40 kg _{di H2} . Immagazzinano energia elettrica sotto forma di idrogeno all'interno di un sistema power-to-power integrato all'interno di un edificio per uffici. Questa pagina contiene ulteriori immagini e dettagli sul progetto. Era necessario un livello di sicurezza molto elevato poiché il gas viene immagazzinato all'interno di un edificio. Questo livello di sicurezza molto elevato non sarebbe stato raggiungibile con altre tecnologie di accumulo dell'idrogeno.

Stoccaggio dell'idrogeno nell'infrastruttura

Gli stoccaggi di idrogeno DASH soddisfano i più elevati standard di sicurezza grazie alle proprietà intrinseche della tecnologia. Possono essere utilizzati in ambienti difficili e possono essere installati anche all'interno di edifici.

Stoccaggio sicuro dell'idrogeno

I moduli di accumulo di idrogeno DASH sono sistemi di accumulo di idrogeno estremamente sicuri grazie alle loro eccellenti proprietà di sicurezza. Non hanno eguali rispetto agli stoccaggi di idrogeno in pressione e liquido:

perdite

La rimozione dell'idrogeno è limitata termicamente. Di conseguenza, in caso di perdita, non fuoriesce l'intera quantità di idrogeno immagazzinata, ma solo un flusso di perdita limitato. La corrente di perdita raffredda il sistema e lo porta a un nuovo stato di equilibrio, riducendo il tasso di perdita. Spesso, anche la formazione di ghiaccio locale chiude automaticamente la perdita. La limitazione o l'arresto dei flussi di perdita consente di rilevare l'idrogeno in uscita molto prima che venga raggiunto il limite inferiore di esplosività. È quindi possibile adottare misure appropriate per prevenire in modo affidabile la formazione di un'atmosfera esplosiva dopo il rilevamento. Per ulteriori informazioni su questo processo di deidrogenazione, consultare questo articolo.

Livelli di pressione

I sistemi DASH operano a livelli di pressione molto bassi, quasi atmosferici, il che rappresenta un'importante differenza rispetto allo stoccaggio di idrogeno pressurizzato. In genere, i nostri progettisti scelgono un intervallo di pressione il più basso possibile, ammesso dal consumatore di idrogeno a valle, ad esempio la cella a combustibile. Ad esempio, se il dispositivo a monte è un elettrolizzatore che produce idrogeno a 35 bar(a) e la cella a combustibile a valle consuma idrogeno a 5 bar(a), il livello di pressione dello stoccaggio è progettato per essere compreso tra 5 e 35 bar(a). Nonostante le pressioni relativamente basse, la densità di stoccaggio dell'idrogeno è paragonabile a quella delle bombole ad alta pressione. I bassi livelli di pressione rappresentano una significativa riduzione dei rischi associati ai sistemi pressurizzati.

Qualità di produzione

La maggior parte dei collegamenti dei nostri sistemi è saldata, il che significa che l'intero sistema è tecnicamente ermetico in modo permanente. Al termine della produzione, tutti i sottocomponenti vengono sottoposti a una prova di pressione e tenuta integrale, che garantisce i più elevati requisiti di qualità. I ​​sistemi sono certificati e conformi alla Direttiva sulle attrezzature a pressione 2014/68/UE (Tipo 4, Modulo B+F). Su richiesta, è possibile offrire anche sistemi certificati secondo altri standard. Grazie alle eccellenti caratteristiche di sicurezza, i moduli di accumulo DASH possono essere installati e utilizzati anche all'interno di edifici residenziali. Il fatto che non sia richiesta alcuna zona ATEX attorno ai moduli di accumulo semplifica notevolmente molti progetti.

La sicurezza della tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno di GRZ è stata dimostrata in numerose applicazioni di successo. Ad esempio, la tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno di GRZ è stata applicata a un impianto all'interno di un edificio a Brunico, in Italia. Vedi, ad esempio, qui . Un'immagine dell'impianto è mostrata di seguito:

Progettazione e produzione di sistemi di stoccaggio dell'idrogeno

GRZ Technologies costruisce moduli di accumulo di idrogeno a idruri metallici secondo un design brevettato sulle proprie linee di produzione. Il design degli accumuli DASH è altamente modulare e garantisce proprietà tecniche eccezionali. Insieme ai più elevati standard qualitativi, questo rappresenta il punto di riferimento per l'accumulo di idrogeno allo stato solido.

Funzionamento interno

Il componente base di ogni modulo di accumulo è il materiale di trasporto dell'idrogeno ottimizzato e specifico per l'applicazione
. La selezione dei materiali e il controllo di qualità dei materiali utilizzati sono responsabilità del
nostro team di scienziati dei materiali. GRZ utilizza strumenti di misura specializzati, sviluppati e realizzati internamente, per la necessaria caratterizzazione e il controllo di qualità.

Recipienti a pressione ottimizzati

Una volta individuato il materiale di stoccaggio perfetto per un progetto, lo produciamo e lo inseriamo in contenitori in acciaio inossidabile ottimizzati (ad esempio, realizzati in AISI 304L3.1 ). L'unità più piccola del design modulare utilizzato a questo scopo è la cella. Le celle hanno diametri e lunghezze diversi, a seconda dei requisiti tecnici. Un certo numero di singole celle costituisce un registro. I registri, a loro volta, sono collegati ai cosiddetti stack. Ogni stack è un dispositivo a pressione certificato e realizzato in conformità alla Direttiva UE sulle attrezzature a pressione 2014/68/UE o a un'altra norma applicabile. La figura seguente mostra un tipico stack ( serie M ):

Modulo di accumulo di idrogeno DASH M3

Processi

GRZ Technologies utilizza processi di saldatura appositamente ottimizzati per la produzione dei sistemi di stoccaggio. Prestiamo particolare attenzione all'elevata qualità e alla ripetibilità del processo. L'obiettivo è raggiungere una durata molto lunga. Per i nostri clienti, questo significa che i sistemi di stoccaggio non limitano la durata dei progetti. Possono essere utilizzati praticamente senza manutenzione per l'intera durata utile.

Controllo qualità e progettazione del sistema

Una volta completato, ogni stack viene sottoposto a procedure di controllo qualità appositamente sviluppate. In particolare, testiamo quantitativamente la resistenza alla pressione e la tenuta. Una volta che uno stack ha superato i rigorosi controlli di qualità, viene caricato con idrogeno. Infine, combiniamo gli stack in un sistema con la capacità di stoccaggio richiesta dal cliente. A seconda delle esigenze, installiamo sistemi ausiliari per raggiungere le velocità di scambio termico desiderate.

Comportamento termico degli stoccaggi di idrogeno allo stato solido

L'idrogeno allo stato solido è idrogeno gassoso immagazzinato in idruri metallici. Il comportamento termico di tali sistemi è di grande importanza, dovuto alle proprietà fisiche di base dei composti.

Comportamento fisico

Il comportamento di un sistema tecnico con idruri metallici è determinato principalmente da tre effetti:

• La pressione nel sistema dipende in larga misura dalla temperatura. La relazione tra queste variabili non è lineare. In equilibrio, la pressione è caratterizzata da una funzione esponenziale della temperatura.
• L'assorbimento di idrogeno in un accumulo DASH rilascia calore. Si tratta quindi di un processo esotermico .
• Al contrario, la rimozione dell'idrogeno è un processo endotermico . Pertanto, è necessario calore per
  desorbire l'idrogeno da un serbatoio.

Per modellare la pressione o la temperatura di un sistema di stoccaggio è necessario considerare le caratteristiche del materiale in equilibrio, nonché gli effetti del comportamento dinamico.

L'immagine sottostante illustra come un'unità di accumulo si raffredda quando l'idrogeno viene rapidamente rimosso. Come effetto visibile, si forma del ghiaccio sulla sua superficie:

L'idrogeno gassoso viene scaricato da un serbatoio di idrogeno allo stato solido che raffredda il sistema.

Implicazioni tecniche

Il comportamento tecnico è derivato dalle proprietà fisiche sopra indicate:

• Ogni modulo di accumulo DASH è caratterizzato da una limitazione termica delle velocità di carica e scarica. Tali limitazioni dipendono sia dai materiali di accumulo sia dalla progettazione del sistema.
• Il comportamento del sistema di accumulo è dinamico. Pertanto, dipende dallo stato di carica, dalle
  condizioni ambientali, dai parametri ambientali e dagli stati precedenti.
• Se l'idrogeno viene estratto per un periodo di tempo più lungo, è necessario fornire calore (possibilmente a temperatura ambiente) al sistema per mantenere l'estrazione in corso. Con la giusta progettazione, questo può essere fatto in modo completamente passivo.
• In una situazione di fornitura prolungata di idrogeno, il calore deve essere rimosso dal sistema per continuare
  a caricarlo. Anche in questo caso, una progettazione corretta può consentire una configurazione completamente passiva.
• Lo scarico in caso di perdite è autoinibitorio. Questa proprietà è importante per l'elevatissimo
  livello di sicurezza dei sistemi.

Progettazione del sistema

I nostri esperti sono a vostra disposizione per qualsiasi ulteriore chiarimento sull'integrazione dei
moduli di accumulo di idrogeno DASH nel vostro sistema (controllo e misurazione, aspetti termici, ecc.). Le proprietà di prodotti standardizzati come gli accumulatori della serie M o della serie C sono ben definite e caratterizzate. Oltre a questi standard, siamo anche in grado di adattare la tecnologia specificamente alle vostre esigenze.

Stoccaggio di idrogeno allo stato solido

L'idrogeno è un vettore energetico con un'elevata densità energetica in rapporto al peso, ma è anche un gas leggero. Il nostro articolo sull'idrogeno lo descrive più dettagliatamente.

Poiché l'idrogeno è un gas molto leggero, i sistemi di stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido DASH rappresentano un'opzione interessante per l'infrastruttura dell'idrogeno. In questi sistemi di stoccaggio, l'idrogeno non viene immagazzinato né in forma liquida né gassosa. Invece, un materiale di trasporto solido e inorganico cattura l'idrogeno, l'idruro metallico.

Nozioni di base della tecnologia

Il principio di questa forma di stoccaggio dell'idrogeno è che i composti metallici utilizzati da GRZ Technologies assorbono l'idrogeno nelle giuste condizioni. Il processo è illustrato di seguito.

Visualizzazione dell'immagazzinamento dell'idrogeno allo stato solido: le molecole di idrogeno (rosse) vengono assorbite da un materiale di trasporto blu

Durante l'assorbimento, le molecole di idrogeno (H₂ ₎ si scindono in singoli atomi di idrogeno (H). I singoli atomi di idrogeno si spostano quindi nei siti interstiziali della lega metallica. Le distanze tra i singoli nuclei atomici diventano significativamente più piccole rispetto a quelle che sarebbero in fase gassosa. Di conseguenza, la densità volumetrica dell'accumulo di idrogeno è molto elevata, così come la densità energetica del sistema. GRZ utilizza molte leghe diverse per questo processo, a seconda dell'applicazione. Un esempio di lega è LaNi₂ _. Quando una lega assorbe idrogeno, avviene la seguente reazione chimica:

LaNi ₅ + 3H ₂ ⟶ LaNi ₅ H ₆

È importante sottolineare che questa lega è un esempio singolo di un'intera classe di materiali. Gli ingegneri di GRZ Technologies sviluppano il materiale migliore per ogni prodotto, ottimizzando così le proprietà dell'intero sistema.

Vantaggi tecnici

Tuttavia, per utilizzare gli idruri metallici come accumulatori di idrogeno allo stato solido, non è determinante solo la scelta del materiale. Anche le proprietà dell'intero sistema di accumulo devono essere ottimizzate. Descriveremo questo aspetto in modo più dettagliato nella sezione "Progettazione e produzione del sistema".

Un aspetto chiave della tecnologia di accumulo DASH è l'elevata densità di accumulo volumetrica, che dipende dal materiale di accumulo. La densità volumetrica è limitata sia dalle dimensioni degli spazi tra gli atomi nel materiale di supporto sia dalla distanza tra i singoli atomi di H. Secondo il criterio di Westlake (vedere, ad esempio, DG Westlake, J. Less-Common Metals 91 (1983), pp. 275-292 ), con questa tecnologia sono teoricamente possibili densità di accumulo volumetriche fino a 245 kg _H2 /m3 ^. A titolo di confronto: l'idrogeno liquido ha una densità di 71 kg _H2 /m3 ^e l'idrogeno gassoso a 900 bar circa 40 kg _H2 /m3 ^. La tecnologia basata sugli idruri metallici di GRZ è estremamente resistente ai cicli e consente una durata di vita di 25 anni o più. Possiamo utilizzare l'intera capacità disponibile senza restrizioni. Infine, una caratteristica importante della tecnologia è la sua ecocompatibilità.

Confronto qualitativo dei metodi di conservazione

Il dispositivo di accumulo di idrogeno a idruri metallici DASH si distingue per un impatto ecologico significativamente ridotto rispetto alle soluzioni di accumulo di energia concorrenti esistenti, come le batterie al litio. Gli accumulatori sono completamente riciclabili e l'energia utilizzata per la loro produzione è notevolmente inferiore. Le proprietà di questa forma di accumulo di idrogeno sono riassunte e confrontate con altre forme di accumulo di idrogeno nella tabella seguente:

Confronto dei principali metodi di stoccaggio dell'idrogeno

Tecnologia delle celle a combustibile

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte l'energia chimica in elettricità. Genera un potenziale separando le reazioni. L'idrogeno subisce un'ossidazione all'anodo, mentre l'ossigeno subisce una riduzione al catodo. Attualmente, tre tipi principali di celle a combustibile sono in fase di sviluppo o in funzione. Ogni tipo offre vantaggi, limitazioni e potenziali applicazioni unici. La tabella seguente riassume le caratteristiche principali di questi diversi tipi di celle a combustibile:

Principali tipi di celle a combustibile e relative caratteristiche principali.

Celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM)

Queste celle a combustibile utilizzano un polimero solido come elettrolita e sono dotate di elettrodi di carbonio poroso con un catalizzatore al platino incorporato. Funzionano utilizzando solo idrogeno, ossigeno dell'aria e acqua, eliminando la necessità di fluidi corrosivi che altre celle a combustibile potrebbero richiedere. In genere, queste celle a combustibile sono alimentate da idrogeno puro fornito da serbatoi di stoccaggio o da reformer di bordo.

Le celle a combustibile PEM funzionano a temperature relativamente basse, intorno ai 50-100 °C. Tuttavia, il catalizzatore al platino è altamente suscettibile all'avvelenamento da CO. Per questo motivo, è necessario un reattore aggiuntivo per ridurre la CO nel gas combustibile se l'idrogeno proviene da combustibili alcolici o idrocarburici. Per risolvere questo problema, gli sviluppatori stanno studiando catalizzatori al platino/rutenio che presentano una maggiore resistenza alla CO.

Le applicazioni di trasporto e stazionarie utilizzano spesso celle a combustibile PEM. Strutturalmente, una cella a combustibile a membrana a scambio protonico comprende una membrana a scambio protonico (elettrolita polimerico) posizionata tra un anodo e un catodo. La figura seguente fornisce una rappresentazione schematica di una cella a combustibile PEM.

Visualizzazione del processo in una cella a combustibile PEM.

I processi che avvengono nella cella a combustibile sono i seguenti:

1. Introduzione dell'idrogeno : l'idrogeno viene convogliato attraverso le piastre del campo di flusso verso l'anodo su un lato della cella a combustibile. L'ossigeno presente nell'aria viene diretto verso il catodo sul lato opposto.
2. Reazione dell'ossigeno al catodo : al catodo, l'ossigeno reagisce con i protoni della membrana a scambio protonico e con gli elettroni dell'elettrodo.
3. Dissociazione dell'idrogeno all'anodo : sull'anodo, le molecole di idrogeno si dissociano e vengono adsorbite come atomi di idrogeno su un catalizzatore di platino.
4. Trasferimento protonico : la membrana a scambio protonico consente agli ioni idrogeno caricati positivamente di passare al catodo.

La reazione complessiva che avviene nella cella a combustibile PEM è: 2H ₂ + O ₂ → H ₂ O.

celle a combustibile alcaline

Sono tra le prime tecnologie di celle a combustibile sviluppate. Sono state ampiamente utilizzate nel programma spaziale statunitense per produrre energia elettrica e acqua a bordo di veicoli spaziali. Queste celle a combustibile utilizzano una soluzione di idrossido di potassio in acqua come elettrolita. Possono impiegare vari metalli non preziosi come catalizzatori all'anodo e al catodo.

Le celle a combustibile ad alta temperatura (AFC) operano a temperature comprese tra 100 °C e 250 °C. I modelli più recenti funzionano a temperature inferiori, comprese tra circa 23 °C e 70 °C. Le celle a combustibile ad alta temperatura (AFC) sono celle a combustibile ad alte prestazioni grazie alla rapida velocità delle reazioni chimiche al loro interno. Sono anche altamente efficienti, raggiungendo efficienze del 60% nelle applicazioni spaziali.

Tuttavia, uno svantaggio significativo delle batterie AFC è la loro suscettibilità all'avvelenamento da anidride carbonica (CO₂ ₎ . Anche piccole quantità di CO₂ _nell'aria (400 ppm) possono comprometterne il funzionamento, rendendo necessaria la purificazione sia dell'idrogeno che dell'ossigeno utilizzati nella cella. Questa sensibilità alla CO₂ _influisce anche sulla durata della cella, ovvero sul periodo di tempo prima della sua sostituzione. Ciononostante, le batterie AFC hanno dimostrato un funzionamento stabile per oltre 8000 ore.

Celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC)

Questa tipologia utilizza un composto ceramico duro e non poroso come elettrolita. Grazie alla natura solida dell'elettrolita, queste celle non devono essere costruite nella configurazione a piastra tipica di altri tipi di celle a combustibile. Si prevede che le SOFC raggiungano un'efficienza di circa il 50-60% nella conversione del combustibile in elettricità.

Le SOFC operano ad alte temperature, circa 1000 °C. Questo funzionamento ad alta temperatura elimina la necessità di catalizzatori a metalli preziosi. Inoltre, le SOFC sono il tipo di cella a combustibile più resistente allo zolfo. Sono in grado di tollerare livelli di zolfo significativamente più elevati rispetto ad altri tipi di celle. Sono anche immuni all'avvelenamento da monossido di carbonio (CO), consentendo l'utilizzo di CO come combustibile.

Tuttavia, l'elevata temperatura di esercizio presenta alcuni svantaggi. Riduce l'avvio e richiede una schermatura termica sostanziale per trattenere il calore e proteggere il personale. Sebbene questo possa essere accettabile per le applicazioni di pubblica utilità, pone delle sfide per i trasporti o le piccole applicazioni portatili.

Negli ultimi anni, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico si sono affermate come la tecnologia più utilizzata per
applicazioni industriali su larga scala. In particolare, l'industria automobilistica si è concentrata quasi
esclusivamente su questa tecnologia. Il sistema DASH Power prodotto da GRZ Technologies utilizza celle a combustibile PEM.

Membrana elettrolitica polimerica (PEM)

La membrana elettrolitica polimerica (PEM), ampiamente riconosciuta anche come membrana a scambio protonico, rappresenta una tecnologia fondamentale nel settore dello stoccaggio dell'idrogeno e della generazione di energia. Colma il divario tra le fonti energetiche sostenibili e la loro applicazione pratica. Questo materiale avanzato è caratterizzato dalla sua straordinaria capacità di condurre protoni (H ⁺ ) pur rimanendo impermeabile a gas come idrogeno e ossigeno. Questa proprietà unica rende le PEM preziose nella costruzione di celle a combustibile . Si tratta di dispositivi che convertono l'energia chimica dei combustibili in elettricità attraverso un processo pulito ed efficiente.

Celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica

Una delle applicazioni più importanti delle membrane elettrolitiche polimeriche è nelle celle a combustibile PEM. Le celle a combustibile sono fondamentali per i veicoli a emissioni zero e i sistemi di alimentazione portatili. Queste membrane facilitano la reazione elettrochimica essenziale che converte l'idrogeno in energia elettrica, acqua e calore. È importante sottolineare che ciò avviene senza le emissioni nocive associate alla tradizionale generazione di energia basata sui combustibili fossili. L'adozione della tecnologia PEM nei veicoli, ad esempio nella Hyundai Nexo , ne sottolinea l'importanza nella transizione verso opzioni di trasporto più ecologiche. Il suo ruolo nella riduzione dell'impronta di carbonio e nella mitigazione degli impatti dei cambiamenti climatici non può essere sopravvalutato.

Elettricità a richiesta basata sull'idrogeno

Inoltre, le celle a combustibile PEM sono fondamentali nel campo dello stoccaggio dell'idrogeno, dove contribuiscono a migliorare l'efficienza e la sicurezza dei sistemi energetici basati sull'idrogeno. Consentendo la conversione compatta e sicura dell'idrogeno, queste membrane aprono la strada a un più ampio utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico versatile e pulito. Le celle a combustibile PEM sono anche una componente importante dei sistemi DASH Power prodotti da GRZ Technologies.

Cella a combustibile Hyundai Xcient basata sulla tecnologia della membrana elettrolitica polimerica.

La rilevanza delle membrane elettrolitiche polimeriche va oltre la loro applicazione nelle celle a combustibile e nello stoccaggio dell'idrogeno. Questa tecnologia sta infatti toccando vari aspetti delle tecnologie per le energie rinnovabili e dello sviluppo sostenibile. Il mondo è alla ricerca di soluzioni sostenibili alle sfide energetiche. Pertanto, il ruolo delle membrane elettrolitiche polimeriche (PEM) nel progresso delle applicazioni dell'energia a idrogeno esemplifica la loro importanza critica nel promuovere un futuro più pulito e sostenibile. Questa esplorazione delle membrane elettrolitiche polimeriche (PEM) ne rivela il ruolo fondamentale nelle tecnologie per l'energia a idrogeno. Per ulteriori approfondimenti sull'impatto trasformativo delle membrane elettrolitiche polimeriche (PEM) e delle tecnologie correlate, come l'elettrolisi e l'integrazione delle energie rinnovabili, consultate la nostra Wiki . Offre una vasta gamma di informazioni: date un'occhiata!

Il motore a idrogeno

L'idrogeno può essere il vettore energetico dominante in un sistema energetico completamente rinnovabile, ma per generare lavoro utile è necessario un motore a idrogeno. Lo sviluppo di motori a idrogeno comprende due tipologie principali: celle a combustibile a idrogeno e motori a combustione interna (ICE) a idrogeno. Entrambi gli approcci mirano a sfruttare il potenziale energetico pulito dell'idrogeno, ma operano su principi e tecnologie fondamentalmente diversi. Entrambi condividono la proprietà comune di funzionare con un combustibile rinnovabile e produrre emissioni ecocompatibili.

Motore a celle a combustibile a idrogeno

Le celle a combustibile a idrogeno convertono l'idrogeno gassoso in elettricità attraverso un processo elettrochimico. Questa tecnologia è all'avanguardia nel settore dei trasporti a idrogeno grazie alla sua elevata efficienza. Il tipo di celle a combustibile più utilizzato è quello a membrana a scambio protonico (PEM) , ad esempio quello prodotto dalla Hyundai Motor Company . Utilizzano un elettrolita polimerico solido. L'idrogeno gassoso viene scisso in protoni ed elettroni all'anodo. I protoni attraversano la membrana fino al catodo, mentre gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno, generando elettricità. Al catodo, protoni, elettroni e ossigeno si combinano per formare acqua e calore. Le reazioni che avvengono sono:

Anodo: H ₂​ → 2H ⁺ +2e ⁻
Catodo: 2H ⁺ +2e ⁻ +0,5​O ₂​ → H ₂ ​O + calore

Un vantaggio chiave della tecnologia è la sua elevata efficienza: le celle a combustibile convertono l'energia chimica direttamente in energia elettrica con efficienze spesso superiori a quelle dei motori a combustione interna. Gli unici sottoprodotti sono vapore acqueo e calore, quindi tutte le emissioni sono ecocompatibili e l'etichetta sempre più importante "emissioni zero" è chiaramente applicabile. Infine, la tecnologia è scalabile da piccola a grande scala e quindi adatta a un'ampia gamma di applicazioni. Sono state presentate al pubblico celle a combustibile di appena 3 mm di diametro . Oggi, le sfide che ne frenano ancora l'aumento dell'utilizzo sono gli elevati costi dei materiali delle celle a combustibile, in particolare dei catalizzatori al platino.

Un veicolo a celle a combustibile Hyundai Nexo gestito da GRZ, alimentato da una cella a combustibile a idrogeno.

Motore a combustione interna a idrogeno (ICE)

I motori a combustione interna (ICE) a idrogeno rappresentano un altro approccio all'utilizzo dell'idrogeno come combustibile. A differenza delle celle a combustibile, i motori a combustione interna a idrogeno bruciano l'idrogeno in modo simile ai tradizionali motori a benzina, diesel o a gas. Durante il processo di combustione, l'idrogeno viene iniettato nella camera di combustione del motore, dove si mescola con l'aria e viene acceso da una candela. La combustione dell'idrogeno genera gas ad alta temperatura che si espandono e azionano i pistoni del motore, producendo potenza meccanica. In parole povere, la reazione in corso è:

2H ₂​ + O ₂​ → 2H ₂ ​O + Energia

Un vantaggio fondamentale di questa tecnologia è la possibilità di riutilizzare le conoscenze e le tecnologie esistenti sui motori a combustione interna. Inoltre, l'approccio consente di ottenere un'elevata potenza in uscita e un'elevata densità di potenza. Pur non essendo completamente priva di emissioni, la combustione dell'idrogeno emette principalmente vapore acqueo, con livelli di NOx significativamente inferiori _rispetto ai combustibili convenzionali.

Le sfide principali sono la riduzione delle emissioni, che pone ulteriori sfide alla progettazione complessiva del sistema poiché implica che è necessario più idrogeno per la stessa quantità di energia utilizzabile.

Sviluppi storici e attuali

L'idea di utilizzare l'idrogeno nei motori risale a oltre un secolo fa. François Isaac de Rivaz costruì il primo motore a combustione interna alimentato a idrogeno nel 1806. Tuttavia, solo nel XX secolo furono compiuti progressi significativi sia nelle celle a combustibile che nei motori a combustione interna ^a idrogeno. Negli anni '60 e '70, il programma Apollo della NASA utilizzò le celle a combustibile a idrogeno per l'alimentazione dei veicoli spaziali, dimostrandone l'affidabilità e l'efficienza. Successivamente, case automobilistiche come Toyota, Honda e Hyundai hanno sviluppato veicoli a celle a combustibile a idrogeno (FCV) come la Toyota Mirai e la Hyundai Nexo. Contemporaneamente, aziende come BMW hanno sperimentato i motori a combustione interna a idrogeno, evidenziando la versatilità dell'idrogeno come combustibile.

Il futuro del motore a idrogeno

I motori a idrogeno, che comprendono sia celle a combustibile che motori a combustione interna, offrono percorsi promettenti verso un trasporto sostenibile. Mentre le celle a combustibile a idrogeno sono all'avanguardia grazie alla loro elevata efficienza e alle emissioni zero, i motori a combustione interna a idrogeno offrono un'applicazione più immediata sfruttando la tecnologia dei motori esistente. Entrambe le tipologie devono affrontare sfide in termini di costi, infrastrutture ed efficienza, ma l'industrializzazione in corso continua ad aprire la strada al ruolo dell'idrogeno nel futuro dell'energia pulita.

Sistema di celle a combustibile a idrogeno della Hyundai Motor Company

Hyundai Motor Company è leader nella tecnologia dell'idrogeno e delle celle a combustibile. Nel 1998, l'azienda ha istituito un reparto dedicato alle celle a combustibile, aprendo la strada allo sviluppo della tecnologia più avanzata al mondo. Nel 2000, Hyundai ha costruito il suo primo veicolo a idrogeno, la Hyundai Santa Fe. Successivamente, i ricercatori dell'azienda hanno dedicato anni di intensa attività di ricerca e sviluppo in campi multidisciplinari, tra cui elettrodi, membrane, sistemi di controllo e sistemi di stoccaggio dell'idrogeno. Infine, Hyundai ha lanciato la prima auto a idrogeno prodotta commercialmente, la Hyundai ix35, nel 2013.

Sistema di celle a combustibile Xcient di HTWO

Sulla base dell'esperienza pratica acquisita con la ix35, nel 2018 Hyundai ha introdotto il veicolo a idrogeno di seconda generazione, la Hyundai Nexo. La Nexo è dotata di un sistema a celle a combustibile con una potenza elettrica netta di 85 kW, integrato da una batteria ausiliaria per ottimizzare le prestazioni. La figura seguente mostra un sistema Xcient prodotto da HTWO Hyundai Motor Company:

Una cella a combustibile Xcient prodotta da HTWO

Caratteristiche tecniche

La tecnologia a celle a combustibile Hyundai eccelle per dimensioni e volume compatti, con un'elevata densità di potenza di
0,21 kW per litro. Il sistema mostra un'efficienza eccezionale con un valore di picco del 62%. Il sistema resiste a condizioni ambientali molto difficili, il che rappresenta un vantaggio importante. Hyundai ha testato la Nexo in condizioni di freddo fino a -30 °C e di caldo fino a 45 °C. Anche un avviamento a freddo a -30 °C non rappresenta un problema per la cella a combustibile. Le principali caratteristiche tecniche del sistema a celle a combustibile sono riassunte nella tabella seguente:

Caratteristiche tecniche principali del sistema a celle a combustibile HTWO della Hyundai Motor Company.

Il sistema a celle a combustibile a idrogeno sviluppato da Hyundai Motor Company è ora pronto per la produzione di massa, con una capacità produttiva in rapida crescita. Gli ingegneri migliorano la tecnologia in termini di efficienza, costi, prestazioni e durata grazie a continui sforzi di sviluppo. Hyundai estende le applicazioni delle celle a combustibile oltre il settore automobilistico.

Applicazioni stazionarie di GRZ

Nel 2020, Hyundai ha annunciato che GRZ Technologies avrebbe integrato il sistema a celle a combustibile per applicazioni stazionarie. Esempi di tali applicazioni sono il peak shaving o l'alimentazione di emergenza. Le celle a combustibile sono integrate nei sistemi DASH Power di GRZ con accumulo di idrogeno allo stato solido .

Compressione dell'idrogeno

La compressione dell'idrogeno sta acquisendo importanza come vettore energetico pulito. Offre una soluzione promettente alla crescente domanda di energia sostenibile. Tuttavia, sfruttare il potenziale dell'idrogeno richiede metodi di stoccaggio e trasporto efficaci. La tecnologia allo stato solido di GRZ è applicabile in molti casi e facilita notevolmente la gestione dell'idrogeno. In particolare, questo spesso elimina la necessità di un compressore. Tuttavia, in alcune applicazioni, è necessario.

Panoramica generale della compressione dell'idrogeno

Data la sua bassa densità, l'idrogeno occupa un volume elevato allo stato gassoso naturale. Pertanto, è necessaria la compressione per aumentarne la pressione. La compressione dell'idrogeno ne riduce significativamente il volume, come richiesto da alcune applicazioni. Questo idrogeno compresso può quindi essere utilizzato in varie applicazioni, ad esempio per alimentare auto a idrogeno .

Aspetti tecnici della compressione dell'idrogeno

Esistono diversi tipi di compressori per idrogeno, basati su diversi principi fisici. Oggi, i compressori meccanici sono i dispositivi più comunemente utilizzati. Tra questi figurano i compressori a pistoni alternativi , i compressori a membrana e i compressori rotativi a vite. Ogni tipologia funziona secondo principi leggermente diversi, ma tutti ottengono una riduzione del volume di idrogeno attraverso un aumento della sua pressione.

I compressori elettrochimici utilizzano membrane a scambio protonico per comprimere l'idrogeno. Quando una corrente elettrica attraversa la membrana, gli ioni idrogeno migrano, si ricombinano in molecole di idrogeno e si comprimono sul lato ad alta pressione. Questo metodo offre elevata efficienza e purezza, rendendolo adatto ad applicazioni di fascia alta come le celle a combustibile.

Sfide nella compressione dell'idrogeno

Molte sfide sono legate ai materiali e alla durabilità. L'infragilimento da idrogeno è un problema significativo. Questo fenomeno si verifica quando gli atomi di idrogeno diffondono nei materiali utilizzati, rendendoli fragili e soggetti a cricche. Pertanto, i materiali utilizzati devono essere accuratamente selezionati e spesso includono acciaio inossidabile o leghe avanzate. Inoltre, perdite e sicurezza rappresentano un problema quando si utilizzano determinate tecnologie di compressione. Le piccole dimensioni molecolari dell'idrogeno lo rendono soggetto a perdite, con conseguenti rischi per la sicurezza dovuti alla sua infiammabilità. Tecnologie di tenuta avanzate e una manutenzione regolare sono fondamentali per garantire l'integrità del sistema e prevenire incidenti. Infine, costi ed efficienza energetica sono rilevanti. La compressione dell'idrogeno richiede una notevole quantità di energia, il che influisce sull'efficienza complessiva dell'idrogeno come vettore energetico.

Applicazioni e prospettive future

La compressione dell'idrogeno è fondamentale nelle stazioni di rifornimento di idrogeno per i veicoli che oggi richiedono idrogeno a 350 bar(g) o 700 bar(g) per il rifornimento. L'idrogeno compresso viene utilizzato anche in vari processi industriali, ad esempio nella raffinazione del petrolio e nella lavorazione dei metalli. I progressi nelle tecnologie di compressione possono migliorare significativamente l'efficienza e l'impatto ambientale di questi processi. Le innovazioni nella progettazione e nel funzionamento dei compressori sono essenziali per la continua evoluzione del settore dell'idrogeno.

Compressore termico a idrogeno HyCo

GRZ Technologies ha contribuito a risolvere la sfida della compressione dell'idrogeno introducendo per prima una tecnologia innovativa basata su un principio operativo completamente nuovo: la compressione termica dell'idrogeno con l'utilizzo di materiali di supporto solidi. Per questo tipo di compressione, GRZ utilizza materiali di supporto solidi per l'idrogeno. Quando sono saturi di idrogeno, la loro pressione aumenta esponenzialmente in funzione della temperatura. Questa configurazione consente la compressione con calore (di scarto). Inoltre, la parte della macchina dedicata all'idrogeno può essere realizzata senza parti in movimento, quindi è silenziosa, priva di vibrazioni, esente da perdite e richiede una manutenzione minima o nulla. Questa tecnologia ha ridotto notevolmente il costo livellato della compressione in molte applicazioni. Un esempio di tale compressore è mostrato nell'immagine sottostante:

Sistema di compressione dell'idrogeno HyCo di GRZ Technologies installato presso uno stabilimento chimico in Svizzera.

Oltre alle applicazioni industriali, GRZ ha introdotto con successo la sua tecnologia di compressione anche per piccole applicazioni in laboratorio: i dispositivi FLEXI HyCo sono venduti in tutto il mondo dal fornitore leader di laboratori di idrogeno KEP Technologies .

In conclusione, la compressione dell'idrogeno è fondamentale per l'economia dell'idrogeno. Affrontare le sfide tecniche ad essa associate consentirà una più ampia adozione dell'idrogeno come fonte di energia pulita, contribuendo in modo significativo agli sforzi globali per la sostenibilità. La ricerca e l'innovazione continue in questo campo sono essenziali per liberare il pieno potenziale dell'idrogeno e facilitare la transizione verso un futuro più verde.

Compressore a pistoni per idrogeno

Fondamentale per lo stoccaggio e il trasporto efficienti dell'idrogeno è la tecnologia di compressione dell'idrogeno. I compressori a pistoni sono un tipo di compressore per l'idrogeno e, nelle infrastrutture odierne, sono fondamentali per comprimere l'idrogeno gassoso alle elevate pressioni richieste per diverse applicazioni, dalle stazioni di rifornimento ai processi industriali.

Cos'è un compressore a pistoni per idrogeno

Un compressore a pistoni per idrogeno è un dispositivo meccanico progettato per comprimere l'idrogeno gassoso tramite pistoni. Il principio di base prevede l'intrappolamento di un volume di gas in un cilindro e la successiva riduzione del volume della camera di compressione tramite il movimento di un pistone. In questo modo, la pressione del gas aumenta. Questa tecnologia è simile al funzionamento dei motori a combustione interna, ma invece di accendere il carburante, comprime il gas. Il compressore a membrana è una variante del compressore a pistoni. In un compressore a membrana, il pistone comprime un fluido separato dal gas di compressione tramite una membrana.

Fasi del processo

Il funzionamento di un compressore a pistoni per idrogeno prevede diversi passaggi chiave:

1. Fase di aspirazione : l'idrogeno gassoso viene aspirato nel cilindro da una fonte esterna.
2. Fase di compressione : il pistone si muove per ridurre il volume della camera a gas, comprimendo l'idrogeno gassoso. Questa compressione aumenta la pressione del gas, ma in genere richiede un raffreddamento per gestire il calore generato durante la compressione.
3. Fase di scarico : l'idrogeno gassoso ad alta pressione viene quindi scaricato dal cilindro in un serbatoio di stoccaggio o in una conduttura per un ulteriore utilizzo.

Applicazioni e vantaggi

I compressori a pistoni per idrogeno sono utilizzati in diversi settori dell'industria dell'idrogeno. Oggi, vengono spesso impiegati per la fornitura di idrogeno a livello industriale, ad esempio nei processi dell'industria chimica, elettronica e metallurgica che richiedono idrogeno ad alta pressione.

I vantaggi di questa tecnologia includono un'efficienza relativamente elevata. I compressori a pistoni sono in grado di comprimere l'idrogeno a pressioni molto elevate con un consumo energetico relativamente basso. Anche la loro scalabilità è un vantaggio. I compressori possono essere dimensionati per soddisfare diverse esigenze di capacità, rendendoli adatti sia ad applicazioni su piccola che su larga scala.

Sfide dei compressori a pistoni per idrogeno

Nonostante i loro vantaggi, i compressori a pistoni per idrogeno presentano delle sfide. Tra queste, in particolare, la gestione del calore generato durante la compressione. Anche garantire la purezza dell'idrogeno gassoso, che può essere contaminato dai lubrificanti, è una sfida.

Altre tecnologie di compressione, come i compressori termici HyCo di GRZ , presentano vantaggi quali la capacità di utilizzare il calore di scarto per azionare la compressione e la loro robustezza.

La bassa pressione implica sicurezza

La bassa pressione è sempre vantaggiosa per la sicurezza. Tuttavia, a causa della bassa densità dell'idrogeno, spesso è necessaria un'alta pressione per lo stoccaggio o il trasporto dell'idrogeno gassoso. Gli ingegneri utilizzano spesso un materiale polimerico rinforzato con fibra di carbonio per consentire un design leggero ad alta pressione.

Implicazioni di sicurezza dei progetti ad alta pressione

Le pressioni elevate aumentano il tasso di perdite. Inoltre, in presenza di una fonte di innesco, sussiste il rischio di un'esplosione. Prevenire il rischio di esplosioni è una delle principali sfide quando si lavora con soluzioni di stoccaggio di idrogeno ad alta pressione. Sebbene sia possibile mitigare il rischio fino a un certo punto, le conseguenze in caso di guasto sono gravi. Se un'apparecchiatura si guasta e scoppia violentemente, alcune parti di essa possono assorbire un'elevata energia cinetica e causare danni alle persone nelle vicinanze. La figura seguente illustra i principali effetti.

Sebbene il livello di rischio dipenda da molti fattori, il potenziale di pericolo è molto più basso se la pressione è più bassa.

Tecnologia allo stato solido

Le soluzioni di GRZ Technologies (ad esempio, i nostri sistemi di accumulo DASH serie M ) funzionano a pressioni e temperature ambiente basse o molto basse. Gli ingegneri progettisti di GRZ Technologies progetteranno sistemi di accumulo con la pressione più bassa possibile, in base ai requisiti del consumatore di idrogeno a valle. Ad esempio, se il dispositivo a monte è un elettrolizzatore che produce idrogeno a 35 bar(g) e la cella a combustibile a valle consuma idrogeno a 5 bar(g), il livello di pressione dell'accumulo è progettato per essere compreso tra 5 e 35 bar(g). Pertanto, la tecnologia offre i vantaggi dell'accumulo ad alta densità, ma con un livello di rischio significativamente inferiore rispetto alle tecnologie di stoccaggio ad alta pressione attualmente disponibili.

In conclusione, i sistemi di stoccaggio dell'idrogeno a bassa pressione sono più sicuri di quelli ad alta pressione per diversi motivi. Riducono significativamente il rischio di esplosioni o rotture e rilasciano l'idrogeno più lentamente in caso di perdite, riducendo al minimo i rischi immediati. Inoltre, il processo di rilascio endotermico a bassa pressione determina variazioni di temperatura più gestibili, migliorando la sicurezza complessiva del sistema. Pertanto, i sistemi a bassa pressione offrono una soluzione di stoccaggio dell'idrogeno più stabile e sicura.

Deidrogenazione intrinsecamente sicura

In questo articolo viene descritto il processo di deidrogenazione, ovvero come l'idrogeno viene estratto da un sistema di idrogeno allo stato solido.

Deidrogenazione

In un materiale trasportatore di idrogeno saturo, gli atomi di idrogeno sono integrati nella struttura reticolare dell'idruro metallico. Quando l'idrogeno viene estratto dall'accumulo, la pressione attorno a questo materiale allo stato solido saturo diminuisce. Questo crea una differenza di pressione tra la pressione di plateau dell'idruro metallico e la pressione del gas circostante. La differenza spinge gli atomi di idrogeno all'interfaccia tra il corpo solido e il gas. Lì, si ricombinano e formano idrogeno molecolare (H₂ ₎ . Queste molecole di H₂ _passano quindi alla fase gassosa.

Il processo di ricombinazione e rilascio dell'idrogeno è endotermico. Il motivo è che è necessaria energia per rompere i legami idrogeno-metallo all'interno del reticolo cristallino dell'idruro metallico. Questo fabbisogno energetico evidenzia la complessità e la complessità del processo di deidrogenazione, poiché comporta l'assorbimento di calore per facilitare il rilascio di idrogeno gassoso. La rappresentazione grafica nella figura sottostante illustra questo fenomeno.

Fasi del rilascio dell'idrogeno dall'idruro metallico e della sua transizione nella fase gassosa.

Caratteristiche termiche

La comprensione di questo processo endotermico è fondamentale per ottimizzare i sistemi di stoccaggio dell'idrogeno, poiché influenza l'efficienza e la velocità di rilascio dell'idrogeno. Una corretta gestione delle dinamiche termiche coinvolte può migliorare la sicurezza e le prestazioni di questi sistemi, garantendo una fornitura stabile di idrogeno gassoso quando necessario.

Questo fenomeno si verifica a livello atomico e ha implicazioni estese sul comportamento macroscopico del sistema e sulle sue caratteristiche di sicurezza.

Elevata sicurezza intrinseca

Quando si verifica una perdita, solo una frazione limitata dell'idrogeno immagazzinato può fuoriuscire immediatamente. L'idrogeno che fuoriesce raffredda rapidamente il sistema, guidandolo verso un nuovo stato di equilibrio. Di conseguenza, il tasso di perdita diminuisce e potrebbe eventualmente interrompersi del tutto. Questa cessazione si verifica o perché la temperatura locale diventa troppo bassa per sostenere la deidrogenazione o perché l'apertura attraverso la quale fuoriesce l'idrogeno si congela. La figura seguente illustra un modulo di accumulo dal quale l'idrogeno è stato rimosso a una portata molto elevata, causando il congelamento del modulo. Questo esemplifica il processo descritto, evidenziando come una rapida perdita di idrogeno possa indurre il congelamento, sigillando così l'apertura e prevenendo ulteriori perdite.

La limitazione o l'arresto dei flussi di perdita consente di rilevare l'idrogeno in uscita molto
prima che venga raggiunto il limite inferiore di esplosione della miscela idrogeno-aria. Grazie al
fenomeno sopra descritto, le proprietà fisiche intrinseche del sistema stesso garantiscono un tempo sufficiente
per impedire in modo affidabile la formazione di una miscela esplosiva con misure appropriate. Per maggiori informazioni sul comportamento termico dei sistemi, si prega di leggere anche questo articolo .