La spinta all'impiego delle energie rinnovabili, data dalle recenti disposizioni normative, apre il settore industriale a nuovi spazi di ricerca e innovazione per lo sviluppo di processi, applicazioni e tecnologie che possono essere impiegati a servizio dei nuovi vettori energetici.
In questo articolo approfondiremo la filtrazione dell'idrogeno con particolare attenzione alle applicazioni in ambito Power Generation e Automotive. Infatti, se da un lato stiamo assistendo alla transizione energetica che punta alla produzione di energia pulita, dall'altro l'e-mobility si configura come la via per attuare una concreta riduzione delle emissioni. La disponibilità di tecnologie a servizio di questo cambiamento è fondamentale.
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In questo articolo con il supporto di Gianfranco Rossi parliamo di:
Gianfranco Rossi è Product Manager della Process Technology di Hydac S.p.A. Si occupa di filtrazione di processo da oltre venticinque anni, l’esperienza maturata in questo ambito lo ha portato a seguire e sviluppare progetti nelle più svariate applicazioni dall’elaborazione dell’offerta sino allo start-up di impianto.
Prima di addentrarci nell'ambito della filtrazione in ambito idrogeno è fondamentale fare una premessa circa il ruolo di questa tecnologia.
L’obiettivo della filtrazione del gas è la separazione efficiente delle particelle (sabbia, ruggine, abrasione, paraffina, asfalteni, ecc.) e dei liquidi (aerosol, nebbia d’olio, condensati, ecc.) In generale è possibile distinguere fra la filtrazione di materiali solidi, liquidi o combinazione di materiali solidi e liquidi.
Nella filtrazione delle miscele dei gas spesso si ha a che fare con la presenza di parti d’acqua di varia grandezza che devono essere trattenute attraverso sistemi di abbattimento o con setti filtranti a coalescenza.
Diverse sono le problematiche quando sorge la necessità di filtrare i cosiddetti gas tecnici, più frequentemente azoto, idrogeno e ossigeno.
Questi gas vengono usati in vari processi industriali e alla stessa stregua di un fluido devono essere filtrati per evitare rotture o malfunzionamenti dei componenti (sistemi di pompaggio, valvole, sistemi di misura…). In questi casi può essere che ci siano delle parti d’acqua ma sono presenti in misura minore rispetto alle miscele e quindi vengono considerati dei gas normalmente “secchi”.
In particolare in questi ultimi tempi si parla molto di applicazioni con l’utilizzo di idrogeno.
La maggior parte delle applicazioni dell’idrogeno erano nel settore delle raffinerie, nel chimico (tipicamente produzione di ammoniaca e metanolo) e in misura minore nel settore siderurgico. La tendenza del mercato verso l'e-mobility e la transizione energetica per la produzione di energia pulite volte alla riduzione delle emissioni inquinanti hanno portato nuovi settori a considerare questa fonte di energia.
Sono così emerse nuove applicazioni, lontane dai settori tradizionali, per l’idrogeno in particolar modo nell’automotive e nella power generation.
Questi due settori hanno necessità sicuramente comuni, ma caratteristiche applicative molto differenti e questo richiede quindi una flessibilità progettuale e un know-how adeguati alle varie esigenze.
In ambito filtrazione la necessità comune a tutti i settori di applicazione è, ovviamente, quella di avere un gas che sia il più pulito possibile, proprio per ridurre manutenzioni e fermate che rappresentano sempre un costo. In termini tecnici ciò si quantifica attraverso la determinazione dei gradi di filtrazione.
In queste applicazioni, lo spettro di filtrazione non è molto ampio, se confrontato con le applicazioni dei fluidi, ma quelli che possono essere i gradi di filtrazione più fini si attestano su valori intorno a un micron, a volte anche meno. I gradi di filtrazioni più larghi, normalmente non sono superiori ai 20 micron.
Parliamo, quindi, di particelle contaminanti quasi esclusivamente solide che possono provenire dall’ambiente esterno, da materiali che vengono rilasciati dai tubi o dai componenti, flussaggi effettuarti non in maniera ottimale.
Veniamo, quindi, alle differenze nella filtrazione idrogeno tra questi due comparti.
Passando ad approfondire le criticità del settore Power Generation in relazione alla produzione di idrogeno, qui sorge un’altra problematica: la necessità di fermare le particelle di idrossido di potassio che si formano nel processo di idrolisi. Queste particelle tendono a solidificare e cristallizzare. Una volta che questi cristalli sono formati potrebbero andare a bloccare dei componenti, a scapito della loro efficienza. Diventa quindi importante avere un setto filtrante che possa trattenere questi parti.
Nei primi prototipi di questa applicazione erano stati previsti dei sistemi di separazione centrifuga integrati nei corpi filtro; ma la loro utilità si è dimostrata molto limitata, a conferma di quando si diceva sulla “secchezza” di questi gas e quindi sono stati rimossi, ottenendo una semplificazione della struttura del sistema.
Nel settore automotive il filtro ha più una funzione di sicurezza, il gas viene immesso a bordo del veicolo con un livello di pulizia che dovrebbe essere già accettabile; ma qualche particella che dovesse staccarsi dai tubi o dai serbatoi di stoccaggio, viste le alte pressioni di lavoro, potrebbe danneggiare i componenti.
Se quindi la necessità è comune, la pulizia del sistema, dove i settori differiscono sono i parametri applicativi.
Un altro elemento di confronto, tra i due settori presi in analisi è quello relativo allo stato di pressione: nel settore Power Generation non si lavora a pressioni particolarmente elevate, parliamo infatti di poche decine di bar. Mentre nell’automotive, per mantenere lo stato liquido il gas deve essere stoccato a pressioni molto elevate, non essendoci la possibilità di raggiungere temperature molto sotto lo zero.
Da qui, le differenti necessità per corpi filtro con rating di pressione e configurazioni diverse: se per le basse pressioni sono sufficienti filtri praticamente standard, per pressioni che raggiungono i 700÷800 bar devono essere previste connessioni adeguate a garantire la sicurezza. I materiali di corpi filtro e setti filtranti sono solitamente in acciaio inox per garantire l’integrità del sistema.
Nel caso dell’automotive: il filtro resta comunque esposto ad agenti atmosferici che possono essere i più diversi, mentre nel Power Generation e nei settori più tradizionali i processi richiedono materiali resistenti e compatibili ai cicli produttivi.
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