Come garantire la sicurezza e la qualità del gas degli elettrolizzatori di idrogeno

Gestire un mercato in espansione

La domanda di idrogeno come fonte di energia a zero emissioni o per l'utilizzo nei processi industriali è fiorente. L'AIE (Autorità Internazionale per l'Energia) stima che la domanda potrebbe passare da appena 9 Mt nel 2020 a ben oltre 100 Mt nel 2030, con una capacità globale di elettrolizzatori, necessari per produrre idrogeno, in aumento da 300 MW nel 2021 a circa 34GW nel 2030.

Queste cifre si riflettono in un recente articolo della rivista Recharge, che riportava i risultati di Aurora Energy Research che prevedevano una crescita "di mille volte" del mercato degli elettrolizzatori di idrogeno entro il 2040. In un rapporto successivo, tuttavia, Aurora ha avvertito che, nonostante questa crescita drammatica del mercato, ci vorrà del tempo prima che il costo dell'idrogeno verde prodotto tramite elettrolisi raggiunga la parità con quello dell'idrogeno blu (prodotto dal metano). Aurora ha concluso che questo obiettivo sarà raggiunto solo quando saranno in vigore modelli tariffari e normativi adeguati.  

Quale elettrolizzatore scegliere?

Gli elettrolizzatori di idrogeno attualmente in commercio sono dispositivi a membrana a scambio protonico (PEM) o alcalini. Gli elettrolizzatori PEM sono i più comuni e rappresentano circa l'80% della base installata. Un terzo tipo, basato su celle di elettrolizzazione a ossidi solidi (SOEC), è stato sviluppato con successo ed è in fase di progetto pilota. L'entrata in produzione è prevista entro il 2024.

Due dei problemi principali associati all'elettrolisi sono l'uso dell'acqua, che in molti Paesi sta diventando sempre più scarsa, e la richiesta di elettricità. Quest'ultima può essere problematica se viene prodotta utilizzando combustibili fossili, rendendo l'elettrolizzatore ideale - veramente verde - quello che è co-locato con un parco eolico o un sito di energia solare.

Talvolta il tipo di elettrolizzatore e la sua fonte di energia, è essenziale che il sistema completo - dal trattamento iniziale dell'acqua e dalla rettifica ad alta tensione alla compressione o allo stoccaggio del gas - funzioni in modo sicuro ed efficiente e che l'idrogeno gassoso prodotto soddisfi gli standard di qualità richiesti per il successivo utilizzo. 

Garantire un funzionamento efficace e sicuro

La chiave per la sicurezza, l'efficienza e la qualità del gas degli elettrolizzatori è l'uso di sensori e strumenti di monitoraggio avanzati.

Questi includono:

Sensori di ossigeno e azoto in traccia per misurare la purezza del flusso di idrogeno gassoso

Sensori di ossigeno per mantenere la sicurezza del personale operativo

Sensori di idrogeno nel flusso di ossigeno gassoso, per rilevare i rischi di esplosione

Sensori del punto di rugiada dell'umidità di traccia per determinare l'efficienza e le prestazioni del sistema di essiccazione e quindi la qualità dell'idrogeno in uscita

Sensori di livello dei liquidi sui serbatoi dell'acqua e, nel caso degli elettrolizzatori alcalini, della liscivia

L'affidabilità e l'accuratezza di ciascuno di questi dispositivi è chiaramente fondamentale per garantire il funzionamento efficace e sicuro di ogni elettrolizzatore. Da segnalare i sensori di umidità, essenziali per ottimizzare il funzionamento dei sistemi di essiccazione. Il loro ruolo è fondamentale per la qualità della disidratazione dell'idrogeno prodotto dall'elettrolisi, che è saturo di vapore acqueo. 

Gli essiccatori sono normalmente basati sul metodo dell'adsorbimento ad oscillazione di pressione (PSA). Vengono utilizzate colonne multiple di essiccante per adsorbire l'umidità dal gas mentre passa sopra l'essiccante, con le colonne che si rigenerano automaticamente una volta che il contenuto di umidità dell'essiccante raggiunge un livello predeterminato. Poiché l'essiccazione del gas e la rigenerazione dell'essiccante sono processi ad alta intensità energetica, la misurazione accurata del contenuto di umidità è fondamentale per mantenere la qualità del gas e ridurre al minimo il consumo energetico. La misurazione accurata dell'umidità all'uscita dell'idrogeno è fondamentale anche se il gas deve essere compresso prima dell'uso o della distribuzione. In questo modo si proteggono le apparecchiature e le tubazioni a valle dal rischio di corrosione.

In modo analogo, le letture dei sensori di ossigeno e idrogeno sono utilizzate per garantire che la purezza dei diversi flussi di gas provenienti dall'elettrolizzatore, sia a umido che a secco, sia misurata in termini di parti per milione (ppm). Questi sensori sono utilizzati anche nei sistemi di rilevamento delle perdite su ciascuna cella dell'elettrolizzatore e per misurare la concentrazione di ossigeno nel flusso di idrogeno a valle dell'elettrolizzatore, evitando il potenziale rischio di esplosione. Per essere tranquilli, anche questi dispositivi devono essere progettati e approvati secondo gli standard SIL.

La progettazione, il montaggio e il funzionamento di questi diversi sensori richiedono conoscenze specialistiche, per questo è importante lavorare con un fornitore esperto. Noi di Process Sensing Technologies disponiamo delle conoscenze, delle competenze e delle risorse necessarie, grazie alla nostra esperienza decennale nella produzione di strumentazione e sistemi avanzati per gas e umidità.

Se desiderate che vi aiutiamo a sviluppare strumenti di monitoraggio efficienti, sicuri e ad alte prestazioni per gli elettrolizzatori di idrogeno, vi invitiamo a contattare il nostro team oggi stesso.

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Fonti:

Rapporto dell'IEA sull'idrogeno

Articolo della rivista Recharge

Rapporto di Aurora Energy Research