Idrogeno – Interessante fonte di energia
Sattec ha effettuato uno studio per lo sviluppo di guarnizioni per applicazioni future nelle reti a idrogeno.
Nella rivista specializzata GUSS-ROHRSYSTEME-Sistemi di tubatura in ghisa– n. 56 , il Sig. Felice Pavan, Resp. Tecnico e Qualità dell’azienda, ha pubblicato un articolo in merito.
A questo link è disponibile la versione originale dell’articolo oppure qui di seguito la traduzione dell’articolo pubblicato:
L'idrogeno: un'interessante fonte di energia
Sattec sviluppa guarnizioni per applicazioni future
L’idrogeno può contribuire in modo significativo alla protezione del clima – come carburante per le automobili,
come materia prima per l’industria o come combustibile per i sistemi di riscaldamento.
In quanto vettore energetico versatile, può essere utilizzato in tutti i settori e svolge quindi un ruolo chiave nella transizione energetica.
Nell’ambito del Green Deal europeo, sono state create le condizioni per la cosiddetta transizione verde nel settore del gas e viene promosso l’uso di gas puliti, come l’idrogeno [1].
Le particolari proprietà di questo gas lo hanno reso una delle nuove fonti energetiche più interessanti e la sua importanza economica potrebbe addirittura essere paragonabile a quella del petrolio o del gas naturale nei prossimi decenni.
importanza potrebbe addirittura essere paragonabile a quella del petrolio o del gas naturale nei prossimi decenni, pur senza le note conseguenze negative per l’ambiente.
L’idrogeno (H2): una fonte di energia futura molto interessante
Le proprietà dell'idrogeno
L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’universo.
Ad esempio, il 75% della massa del Sole è costituito da idrogeno [2].
L’idrogeno si trova spesso anche sulla Terra, ma non in forma “pura” come H2.
Non appena viene liberato, i suoi atomi trovano immediatamente un altro elemento con cui combinarsi per formare una molecola: due atomi di idrogeno, ad esempio, si combinano con un atomo di ossigeno per formare l’acqua (H2O), quattro atomi di idrogeno si combinano con un atomo di carbonio per formare il metano (CH₄), e così via, per un numero infinito di combinazioni fino a formare molecole sempre più complesse.
A causa delle sue piccole dimensioni, l’idrogeno ha il numero atomico 1 ed è elencato nella tavola periodica nel 1° periodo – l’idrogeno ha anche la più alta capacità di diffusione.
Questo pone delle sfide tecniche al trasporto e allo stoccaggio dell’idrogeno.
Produzione di idrogeno
L’idrogeno viene inoltre prodotto in modi diversi a causa delle sue diverse forme di combinazione.
Per una migliore differenziazione, ai tipi di produzione di idrogeno vengono assegnati colori diversi.
Si distingue tra idrogeno verde, turchese, grigio e blu.
- L’idrogeno verde viene prodotto tramite elettrolisi (scissione dell’acqua nei suoi componenti ossigeno e idrogeno).
Le fonti di energia rinnovabili, come l’energia eolica, l’energia idroelettrica o l’energia solare, forniscono l’elettricità necessaria per questo processo (tecnologia power-to-gas).
Ciò rende la produzione di idrogeno verde neutrale dal punto di vista delle emissioni di CO2, anche se attualmente è ancora associata a un elevato consumo energetico.
In Germania esistono già 40 impianti per la produzione di idrogeno verde (i cosiddetti elettrolizzatori) [3].
- L’idrogeno azzurro è il prodotto della pirolisi del metano.
In questo processo, il metano presente nel gas naturale viene scisso in idrogeno e carbonio solido.
Il carbonio solido è un granulato che può essere immagazzinato in modo sicuro, ad esempio in vecchie gallerie minerarie, e riutilizzato in seguito.
Ciò significa che non viene rilasciata CO2 nell’atmosfera. Se l’energia necessaria per la pirolisi del metano proviene da energie rinnovabili, la produzione di idrogeno turchese è neutrale dal punto di vista climatico.
- L’idrogeno grigio viene prodotto mediante steam reforming di combustibili fossili come il gas naturale, il carbone o il petrolio. Questo produce CO2 come prodotto di scarto, che viene rilasciato nell’atmosfera.
L’idrogeno grigio non è quindi neutrale dal punto di vista climatico.
- l’idrogeno blu, come l’idrogeno grigio, viene prodotto mediante steam reforming, ma la CO2 risultante viene poi stoccata nel sottosuolo (tecnologia CCS – carbon capture and storage, cioè: cattura e stoccaggio del carbonio).
Non viene quindi rilasciato nell’atmosfera ed è anche neutrale dal punto di vista climatico.
Una descrizione più dettagliata dei tipi di idrogeno in termini di produzione è contenuta nella comunicazione della Commissione europea [4].
L’idrogeno verde secondo [3] corrisponde grosso modo all'”idrogeno rinnovabile” come definito in [4].
L’idrogeno rinnovabile è l’unico che combina due importanti vantaggi:
- Per la produzione vengono utilizzate fonti energetiche rinnovabili e neutre dal punto di vista climatico e combustibili non fossili.
- Durante l’utilizzo si producono “zero emissioni di CO2”; durante la combustione viene rilasciato nell’aria solo vapore acqueo.
Questo processo completamente “verde” è un elemento chiave per allineare tutte le risorse ai piani di decarbonizzazione.
Strategie per l'idrogeno
Nel 2020, la Commissione europea ha pubblicato la comunicazione “Una strategia dell’idrogeno per un’Europa neutrale dal punto di vista climatico”, datata 8 luglio 2020.
L’UE sta dando priorità allo sviluppo dell’idrogeno rinnovabile, prodotto principalmente con l’energia eolica e solare. L’idrogeno rinnovabile è l’opzione più compatibile a lungo termine con l’obiettivo di neutralità climatica e di inquinamento zero dell’UE, nonché con un sistema energetico integrato [4] con l’obiettivo di diventare “carbon neutral” entro il 2050.
A seguito della crisi energetica, della ricerca di fonti energetiche rinnovabili e degli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2, tutti i Paesi europei stanno sviluppando strategie e tecnologie per promuovere l’uso dell’idrogeno come fonte energetica alternativa al gas naturale/petrolio.
Ad esempio, sono in fase di sviluppo le seguenti soluzioni:
- Microturbine a gas per la produzione di energia elettrica che funzionano con una miscela di metano e idrogeno,
- Motori per autovetture alimentati da una miscela di idrogeno e metano, utilizzando lo stesso design del motore e garantendo le stesse prestazioni e la stessa efficienza con emissioni di CO2 inferiori rispetto al gas naturale e al diesel (-10% rispetto al gas naturale e -20% rispetto al diesel),
- Caldaie a idrogeno per uso domestico in grado di generare elettricità, acqua calda e riscaldamento senza collegamento a fonti energetiche esterne e senza emettere gas di scarico o rifiuti nell’ambiente, con emissioni di CO2 pari allo 0%.
Applicazione dell’idrogeno nel campo dell’automobile
Generare proprietà
Le sfide
Naturalmente, ci sono sfide tecniche che derivano dall’uso dell’idrogeno.
Le proprietà rilevanti sono:
- l’elevata tendenza a fuoriuscire dai sistemi (diffusione) a causa delle piccole dimensioni della sua molecola, che è rilevante per il trasporto e lo stoccaggio dell’idrogeno,
- la tendenza a interagire con i materiali e a indebolirli,
- l’elevata infiammabilità, di gran lunga superiore a quella del gas naturale o del gas di petrolio liquefatto.
Queste caratteristiche pongono una serie di sfide per la tecnologia, la produzione, il trasporto, la distribuzione e l’utilizzo dell’idrogeno.
Esistono diverse ipotesi su come l’idrogeno possa essere trasportato per diversi usi finali:
Ipotesi 1: Generazione di elettricità e trasmissione a consumatori finali privati, commerciali e industriali.
Questa opzione elimina i costi di trasporto dell’idrogeno, ma a spese delle reti elettriche, già gravate dal trasporto di quantità sempre maggiori di energia rinnovabile.
Ipotesi 2: portare l’idrogeno direttamente ai consumatori.
Questa soluzione non ha alcun impatto sulle reti elettriche, ma richiede la modernizzazione dei gasdotti esistenti per consentire il trasporto di quote crescenti di idrogeno.
L’ipotesi 2, che utilizza le reti del gas esistenti, potrebbe ridurre significativamente i costi del trasporto dell’idrogeno, sia in termini di minori investimenti in nuovi gasdotti che di modernizzazione delle reti elettriche.
Le reti di distribuzione del gas esistenti in Germania sono già state testate per verificarne la compatibilità con la graduale conversione dal gas naturale all’idrogeno.
Ad esempio, le condutture in acciaio installate nella rete del gas tedesca sono adatte al trasporto dell’idrogeno.
Non mostrano differenze in termini di idoneità di base al trasporto di idrogeno rispetto al gas naturale.
Sia l’invecchiamento operativo che la tenacità alla frattura richiesta soddisfano le aspettative di una disponibilità sicura per decenni (vedi [5]).
Tuttavia, non sono solo le pareti dei tubi del gas a dover essere analizzate per quanto riguarda la loro idoneità all’uso nelle future reti dell’idrogeno e, se necessario, sviluppate ulteriormente.
Lo stesso vale per i materiali di tenuta e le guarnizioni in elastomero, ad esempio per le connessioni a flangia o nei raccordi:
- Si stima che, a causa della sua bassa densità, l’idrogeno possa “sfuggire” attraverso un percorso di perdita della stessa dimensione di una quantità di metano circa tre volte superiore.
- A causa delle piccole dimensioni della sua molecola, l’idrogeno ha una “permeabilità” maggiore e più rapida attraverso materiali elastomerici come O-ring, guarnizioni, membrane, … rispetto ad altri gas.
Le perdite devono essere valutate in un laboratorio all’avanguardia e testate secondo standard definiti.
Sviluppo di guarnizioni per l'utilizzo nelle reti a idrogeno
Attualmente SATTEC produce guarnizioni per gas con mescole a base di NBR che soddisfano i requisiti delle norme EN 682 [6] e EN 549 [7].
L’azienda ha avviato un programma di sviluppo di mescole per applicazioni con idrogeno.
Questo si basa sul programma di certificazione ZP 5101 di DVGW CERT GmbH [8].
L’oggetto di questo programma di certificazione sono i test sui materiali elastomerici che hanno già ricevuto la certificazione DIN-DVGW in conformità alle norme EN 549 [7] o EN 682 [6].
La ZP 5101 è utilizzata per determinare la permeabilità all’idrogeno con un metodo di aumento della pressione basato sulla norma ISO 15105-1; questo test è utilizzato per determinare un coefficiente di caratterizzazione del materiale.
Con la permeabilità all’H2 come proprietà del materiale, il metodo presentato nello ZP 5101 fornisce un valore caratteristico tecnico aggiuntivo che consente di confrontare diversi materiali tra loro per quanto riguarda la permeazione dell’idrogeno.
La ZP supporta quindi la selezione dei materiali elastomerici in base al loro comportamento specifico per le applicazioni con l’idrogeno.
Non è ancora stato fissato un valore limite per la permeabilità della base polimerica utilizzata nella mescola.
Viene esaminata la permeazione H2 tecnicamente rilevante di campioni di materiale con dimensioni standardizzate.
Sulla base della permeabilità dei compound a base di polimeri NBR e tenendo conto della necessità funzionale di materiali con una maggiore resistenza alla permeabilità all’idrogeno, Sattec ha sviluppato anche nuove formulazioni con altre basi polimeriche.
Il grafico mostra i valori di permeabilità attualmente raggiunti con le miscele Sattec.
Il test è stato eseguito secondo la norma ZP 5101 a 23 °C con il 100 % di idrogeno.
L’azienda continuerà il suo sviluppo e riferirà sui nuovi traguardi raggiunti.
Il test di permeabilità viene eseguito secondo la norma ZP 5101 a 23 °C con il 100 % di idrogeno.