L'idrogeno è l'elemento più piccolo, leggero e comune del nostro universo. Tuttavia, raramente esiste nella sua forma pura. Solitamente è legato chimicamente all'ossigeno nell'acqua o al carbonio negli idrocarburi dei combustibili fossili. In qualità di fonte e vettore di energia, ha molteplici benefici ed è oggetto di importanti discussioni.
La produzione di idrogeno verde non genera CO2. Può essere generato da fonti rinnovabili. I costi, tuttavia, sono ancora relativamente alti. Nei prossimi anni tali costi saranno ridotti grazie agli investimenti crescenti nelle tecnologie correlate. L'idrogeno ha tutto il potenziale per un brillante futuro; può consentire la decarbonizzazione dell'industria pesante. Può essere conservato in modo sicuro per lunghi periodi di tempo. Può essere utilizzato in veicoli elettrici dotati di celle a combustibile. L'idrogeno, inoltre, contribuisce all'approvvigionamento sicuro di energia diversificando il mix di carburanti.
Dal grigio al blu, al verde
Oggi esistono tre metodi di produzione principali per l'idrogeno.
- L'idrogeno grigio si ottiene attraverso un processo di conversione termochimica che "riforma" i combustibili fossili in idrogeno. La CO2 viene prodotta come scarto e rilasciata nell'atmosfera.
- Quando si abbina il processo di produzione dell'idrogeno grigio alle tecnologie di cattura e stoccaggio del cabonio (CCS) si ottiene la cosiddetta produzione di idrogeno blu che raggiunge la neutralità di CO2.
- Il processo più interessante per l'energia del futuro è la produzione di idrogeno verde. L'acqua viene divisa nei suoi componenti di ossigeno e idrogeno tramite elettrolisi alimentata da elettricità ottenuta da fonti rinnovabili a emissioni zero.
L'idrogeno verde non è ancora ampiamente diffuso. La produzione di idrogeno grigio è di gran lunga la più comune in quanto è meno costosa. Attualmente circa il 95 percento dell'idrogeno viene prodotto con questo metodo. Restano ancora da risolvere alcuni problemi tecnici correlati all'utilizzo ad ampia scala dell'idrogeno verde e sono necessarie ulteriori ricerche. Gli andamenti e gli investimenti puntano sempre di più ai processi di produzione a emissioni di CO2 neutre.
L'idrogeno è adatto a molti mercati e applicazioni. È una fonte promettente di calore per l'ambiente domestico e le aziende, nonché per l'industria pesante, e può essere utilizzato come carburante per i trasporti o per la produzione di elettricità. Inoltre, è una materia prima importante per molte industrie, come le raffinerie o l'industria chimica.
Guarnizioni per applicazioni a idrogeno
Le guarnizioni elastomeriche sono necessarie ovunque l'idrogeno venga prodotto, trasportato o immagazzinato. I requisiti di queste guarnizioni sono molto complessi. Devono resistere a un ampio intervallo di temperature e devono anche poter sopportare pressioni elevate. La permeabilità è cruciale, quindi i composti in gomma devono essere resistenti all'idrogeno. Il gruppo Angst+Pfister sta attualmente eseguendo test di idoneità approfonditi su tutti i suoi prodotti esistenti e sta attuando nuovi sviluppi per l'utilizzo nelle applicazioni a idrogeno.
Quando sono presenti gas, la permeabilità delle guarnizioni è sempre un aspetto di particolare interesse. La struttura degli elastomeri funge da barriera nel trasporto dei gas. Nonostante ciò, i gas possono diffondersi lentamente attraverso gli scaffold del polimero. A questo punto entrano in gioco due proprietà della termodinamica:
- La diffusione descrive la rapidità con cui il gas si diffonde in un materiale.
- La solubilità descrive la quantità di gas assorbito dal materiale.
Il prodotto di questi due fattori è la permeabilità. Questa proprietà, a sua volta, dipende da una serie di fattori come la temperatura e la pressione, o lo spessore e la superficie del materiale a contatto con il gas. Con i gas, sia la dimensione delle molecole che la loro interazione con il materiale della guarnizione sono importanti. Le molecole piccole come quelle dell'idrogeno si diffondono più facilmente.
Test approfondito del materiale
Angst+Pfister recentemente ha testato il suo portafoglio tenendo in considerazione le applicazioni a idrogeno. L'attenzione era incentrata su FKM, EPDM e HNBR. Sulla base delle richieste di mercato fino ad oggi, i test sono iniziati con materiali con una durezza Shore A di 90, tenendo conto delle applicazioni in cui la pressione può essere elevata. Gli ingegneri di Angst+Pfister hanno ideato tre test diversi:
- Determinazione della permeabilità del gas (coefficiente di permeazione), in conformità alla norma ISO 2782-1, nell'idrogeno puro
- Test di perdita applicando un metodo interno con l'idrogeno puro e una miscela di metano.
- Test di decompressione rapida del gas ( RGD) in conformità allo standard NORSOK M-710 nell'idrogeno puro
Sono stati testati cinque materiali diversi: due HNBR, due FKM e un EPDM.
Il tipo di polimero e la formulazione del composto influiscono sulla permeazione
Abbiamo osservato che la solubilità dell'idrogeno è bassa (rispetto alla CO2, che riesce a penetrare gli elastomeri in grandi quantità causando problemi come la decompressione rapida del gas), mentre la diffusione è relativamente alta. Come sappiamo la permeazione è il prodotto della diffusione e dei coefficienti di solubilità. Pertanto, si può anche generalmente affermare che la permeazione è relativamente bassa. L'idrogeno può entrare facilmente nel materiale ma non rimane fermo. I test hanno confermato le nostre teorie. Il tipo di polimero e il composto in gomma influiscono sulla permeazione. I test di permeazione ci permettono di classificare l'idoneità dei nostri materiali interni alle applicazioni a idrogeno. Angst+Pfister può fornire dati dettagliati ai clienti interessati.
La permeazione come causa principale delle perdite
Il test di perdita è stato condotto in condizioni identiche a quelle dei test di permeazione. Anche la geometria degli O-ring influisce sulle perdite. In linea di principio, i risultati del test di perdita hanno mostrato all'interno dei materiali la stessa classificazione riscontrata per la permeazione, suggerendo così che la permeazione (o perdita naturale) è la causa principale della perdita. Vale a dire che non erano presenti perdite superficiali.
La resistenza alla decompressione è probabilmente trasferibile
Uno dei materiali con le migliori prestazioni (FKM1) è stato sottoposto a un test RDG. Il nostro FKM 1 ha ricevuto la migliore classificazione possibile (0000) secondo lo standard Norsok, che ha origini ben radicate nei settori del petrolio e del gas. I test hanno suggerito che questo materiale, che già si era dimostrato resistente alla decompressione con altri gas (metano e CO2), funziona anche con l'idrogeno e che, verosimilmente, l'idrogeno causerà problemi di decompressione rapida del gas limitati.
Conclusioni e prospettive
La permeazione sembra essere il fattore principale che influisce sull'efficienza delle guarnizioni nelle applicazioni a idrogeno. I materiali che si sono dimostrati resistenti alla decompressione con altri gas potrebbero non esibire problemi con l'idrogeno, ma questa ipotesi deve essere dimostrata. Pertanto, Angst+Pfister prevede ulteriori test con idrogeno puro e pressioni superiori a 150 bar. Allo stesso modo, i composti di Angst+Pfister con una durezza Shore di 70 verranno sottoposti a test di permeazione e perdita per valutare un possibile utilizzo nelle applicazioni a pressione moderata. In contemporanea, Angst+Pfister sta lavorando su progetti con i clienti per lo sviluppo di nuove soluzioni di sigillatura per applicazioni a idrogeno.
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published: 23 gen 2023, 19:12:00