L'economia dell'idrogeno è essenziale per gli sforzi di decarbonizzazione

L'economia dell'idrogeno non è una prospettiva immaginaria di un futuro utopico e lontano, ma sta diventando sempre più una realtà, ha affermato un gruppo di ingegneri in un recente webinar. In risposta a ciò, il settore della compressione ha registrato un netto aumento degli ordini di compressori per idrogeno negli ultimi mesi.

"L' economia dell'idrogeno non è più qualcosa di futuro . Ne siamo testimoni in questo momento", ha affermato Lennert Buijs, project manager di TNO, intervenuto a un recente webinar organizzato dal Forum Europeo per i Compressori Alternativi.

L'EFRC ha recentemente pubblicato un white paper, "Compressione dell'idrogeno: potenziare l'economia dell'idrogeno", per discutere della crescita della compressione dell'idrogeno in Europa. Il suo recente webinar ha presentato i contenuti principali del documento.

Il documento dell'EFRC ha fornito una panoramica dei vantaggi e degli svantaggi relativi dei diversi sistemi di compressione utilizzati nell'economia dell'idrogeno. L'organizzazione evidenzia l'attuale tecnologia di compressione dell'idrogeno e gli sviluppi in Europa che supportano la transizione verso un'economia dell'idrogeno verde .

Il white paper e il seminario hanno illustrato i diversi tipi di compressori disponibili per la compressione dell'idrogeno, nonché i relativi vantaggi e limiti di ciascuno. La catena del valore dell'idrogeno può essere suddivisa in tre parti: produzione, trasporto e stoccaggio dell'idrogeno e utilizzo finale dell'idrogeno. La compressione è necessaria in ogni fase della catena del valore.

Una volta prodotto, l'idrogeno viene compresso e immesso in un sistema di trasporto. Può essere immesso in una conduttura, che richiederebbe anch'essa la compressione per spostare le molecole in un'altra posizione. Può anche essere trasportato su rimorchio, ma anche in questo caso è richiesta la compressione, e generalmente a pressioni ancora più elevate di quelle richieste dalle condutture.

L'industria necessita di compressione per lo stoccaggio in serbatoi o in depositi di gas sotterranei. In entrambi i casi, lo stoccaggio può compensare la natura intermittente della produzione e del consumo di idrogeno , afferma il documento.

Anche il consumo di idrogeno, il terzo anello della catena del valore, può richiedere una compressione che soddisfi criteri specifici a seconda dell'applicazione. L'idrogeno può essere utilizzato per la produzione di energia, come materia prima o come carburante per veicoli.

L'Europa sta portando avanti diversi progetti sull'idrogeno volti a ridurre la dipendenza dagli idrocarburi. "Vediamo molti progetti in fase di sviluppo in questo momento", ha affermato René Peters, uno dei relatori del recente webinar.

L'Unione Europea, nel suo Green Deal, vede un ruolo significativo per l'idrogeno e l'elettricità nel suo futuro sistema energetico. Nei Paesi Bassi, ad esempio, ci sono circa 160 progetti che produrranno 12 GW di idrogeno verde entro il 2030, ha affermato.

I Paesi Bassi si sono inoltre impegnati a costruire una rete di gasdotti per l'idrogeno che si collegherebbe a una rete analoga in Germania e Belgio e a siti offshore. La compressione sarebbe necessaria lungo tutta la rete di gasdotti, ha affermato.

L'Europa avrà anche bisogno di sistemi di compressione per un numero crescente di stazioni di rifornimento di idrogeno, che devono fornire idrogeno ad alta purezza a una pressione compresa tra 350 e 700 bar per alimentare veicoli privati o camion pesanti. In Germania sono già presenti 93 stazioni e altre 50 sono in fase di sviluppo. Anche Paesi Bassi, Belgio, Danimarca, Norvegia e Svizzera dispongono di un numero crescente di stazioni di rifornimento.

"Stiamo assistendo a un'ampia diffusione di stazioni di rifornimento di idrogeno in Europa", ha affermato Buijs. "Stiamo rapidamente assistendo a una copertura completa dell'Europa nord-occidentale per veicoli a celle a combustibile a idrogeno e camion pesanti".

Alcuni operatori del midstream stanno cercando di utilizzare le caverne di sale e i giacimenti di gas esauriti per lo stoccaggio di idrogeno su larga scala. Nelle caverne di sale potrebbero essere immagazzinati fino a 250 GW di idrogeno. "Lo stoccaggio è fondamentale per garantire un mercato. Le caverne sono necessarie per garantire la sicurezza dell'approvvigionamento", ha affermato.

Vari tipi di compressore

L'articolo e il webinar hanno evidenziato che per l'idrogeno possono essere utilizzati diversi tipi di compressori, alcuni dei quali risultano più adatti di altri a seconda dell'applicazione. Lo studio ha confrontato diverse tipologie di compressori in termini di capacità, affidabilità, pressione finale, purezza del gas, efficienza, potenziale di riduzione del carico, pulsazioni, vibrazioni e rumore.

I compressori alternativi sono tra i più comuni perché possono fornire un'ampia gamma di pressioni e portate. Hanno una solida reputazione dopo decenni di utilizzo nelle raffinerie. Sono generalmente macchine versatili che possono gestire bene le variazioni delle condizioni di processo e possono essere ridotte con grande efficienza. I compressori alternativi possono essere lubrificati o non lubrificati.

Uno degli svantaggi dei compressori alternativi è la presenza di numerose parti soggette a usura che necessitano di manutenzione e sostituzione periodica. Il rapporto di compressione per stadio è piuttosto limitato, il che spesso significa che sono necessari più stadi per portare il gas a una pressione più elevata. I compressori alternativi creano anche un flusso di gas pulsante che può generare vibrazioni che devono essere controllate.

I compressori alternativi sono l'opzione più comune per il trasporto di idrogeno tramite condotte . Sono comunemente utilizzati anche nelle applicazioni di stoccaggio sotterraneo di idrogeno , che in genere richiedono una pressione compresa tra 200 e 300 bar. Le condizioni per questa applicazione possono variare e le iniezioni e i prelievi possono avvenire più volte al giorno.

I compressori a membrana e idraulici sono macchine volumetriche che vantano una buona reputazione per le applicazioni a idrogeno. Sono particolarmente adatti alle stazioni di rifornimento di idrogeno perché garantiscono un'elevata purezza del gas e possono raggiungere rapporti di pressione più elevati per stadio. Presentano tuttavia dei limiti: generalmente hanno una capacità inferiore rispetto ai loro cugini alternativi. Inoltre, richiedono un funzionamento attento e una manutenzione regolare per garantirne la massima affidabilità. La sostituzione di una membrana in un compressore a membrana è un processo relativamente lungo rispetto alla sostituzione di componenti nei compressori idraulici.

I compressori a vite sono macchine a spostamento positivo che riducono il volume di gas attraverso un sistema di compressione stabilito tra due rotori rotanti. Uno dei vantaggi è che generalmente hanno una velocità di funzionamento maggiore rispetto a un compressore alternativo, il che conferisce loro una maggiore capacità a parità di ingombro. I compressori a vite presentano un numero inferiore di parti soggette a usura, il che significa una minore manutenzione programmata rispetto alle macchine alternative.

Tuttavia, i compressori a vite hanno una capacità inferiore rispetto ai compressori a pistoni e hanno una limitata esperienza con l'idrogeno a causa della loro pressione di scarico relativamente bassa, che di solito è compresa tra 30 e 40 bar. I compressori a vite generano anche pulsazioni sul lato di uscita, spesso a una frequenza più elevata rispetto ai compressori a pistoni.

I compressori centrifughi utilizzano una girante per accelerare e comprimere i gas. Sono considerati una tecnologia matura per applicazioni ad alto contenuto di idrogeno, come gli impianti di hydrocracking nelle raffinerie. Tuttavia, lo studio ha rilevato che non sono adatti per applicazioni con idrogeno puro.

I compressori centrifughi possono funzionare ad alta velocità e hanno una capacità elevata, spesso superiore a quella dei compressori a pistoni di pari dimensioni. Non hanno parti soggette a usura e le loro pulsazioni sono molto più basse rispetto ai compressori a pistoni.

Tuttavia, il loro rapporto di pressione per stadio è molto basso e hanno un punto di efficienza limitato. Sono progettati per funzionare in un insieme specifico di circostanze. Se tali circostanze cambiano, l'efficienza diminuisce.

"I compressori centrifughi hanno ancora una comprovata esperienza nelle applicazioni con idrogeno puro", ha affermato.

Infine, sono stati discussi anche alcuni concetti più innovativi per la compressione dell'idrogeno, basati su principi non meccanici. Tra questi, ad esempio, la compressione elettrochimica e la compressione a idruri metallici. Sebbene non abbiano ancora raggiunto il livello di maturità e capacità dei compressori classici (meccanici) convenzionali, queste tecnologie sono in rapida evoluzione e risultano di chiaro interesse per specifiche applicazioni dell'idrogeno.

Tendenze di ricerca e sviluppo

L'EFRC ha osservato che molti OEM stanno investendo molto in ricerca e sviluppo per applicazioni a idrogeno . Ad esempio, si registra una tendenza ad aumentare la pressione di uscita, soprattutto per i compressori non lubrificati necessari per l'idrogeno puro.

Un'altra tendenza nella ricerca riguarda l'affidabilità dopo avviamenti e arresti intermittenti. I produttori stanno cercando di migliorare l'affidabilità dei macchinari che non vengono utilizzati a ritmo costante. Le stazioni di rifornimento di idrogeno sono un ottimo esempio di come un compressore funzioni durante il rifornimento di un veicolo e poi si spenga quando è pieno.

Un altro argomento di ricerca è la possibilità di tecniche di compressione ibride per combinare i vantaggi relativi di ciascun tipo di compressore. Ad esempio, alcuni settori stanno studiando la combinazione di un compressore a vite a stadio di compressione inferiore e di una macchina alternativa a stadio di compressione superiore. In altri casi, stanno studiando l'utilizzo di un compressore alternativo a stadio di compressione inferiore e di un compressore a membrana a stadio di compressione superiore. Questa combinazione di tecnologie può spesso essere realizzata su un singolo albero.

I produttori stanno anche studiando come interagiscono tra loro le diverse apparecchiature utilizzate nei sistemi a idrogeno. Ad esempio, vogliono sapere se un elettrolizzatore può essere danneggiato dalle pulsazioni causate da un compressore alternativo. "Si tratta di questioni che non sono ancora chiare", ha affermato Leonard van Lier, di TNO Energy Transition.

Lo studio ha tratto alcune conclusioni finali. L'idrogeno è un elemento cruciale del processo di decarbonizzazione . Una compressione efficiente e affidabile sarà necessaria lungo tutta la filiera dell'idrogeno.

In risposta a questo aumento della domanda, i produttori stanno cercando di migliorare la capacità e aumentare le pressioni. Inoltre, stanno studiando modi per mantenere le apparecchiature efficienti a più velocità e affidabili, con avvii e arresti intermittenti.