Portare l'idrogeno dalla tavola periodica al mercato

Gli obiettivi climatici che puntano a raggiungere lo zero netto in termini di emissioni portano investimenti e attenzione verso il settore delle fonti di energia rinnovabili, compreso l'idrogeno, sostenibile dal punto di vista climatico. L'interesse per l'idrogeno non è una novità; ciò che è nuovo è il ruolo critico che può svolgere per garantire il rispetto dei requisiti globali per la decarbonizzazione. Infatti, nel corso dell'ultimo decennio, la domanda di idrogeno è aumentata del 28% poiché un maggior numero di industrie realizza il suo potenziale come fonte di energia alternativa ai combustibili fossili, in particolare in settori difficili da decarbonizzare, così come una vasta gamma di applicazioni lungo l'intera catena del valore.

Esiste una miriade di modi per creare idrogeno, alcuni dei quali hanno sottoprodotti di carbonio e altri che non hanno emissioni, ma tutti sono dotati di complessità uniche. Idealmente, l'attenzione si concentrerebbe sulla produzione di "idrogeno verde", che deriva da fonti puramente rinnovabili senza produrre emissioni. Tuttavia, l'assemblaggio e la commercializzazione dell'idrogeno verde hanno una lunga strada da fare: costruire l'infrastruttura, renderlo affidabile e sicuro, offrirlo a un costo competitivo e dare ai consumatori la certezza che sarà disponibile quando e dove necessario.

Nel frattempo, la produzione di vari tipi di idrogeno, tra cui blu e grigio, può aiutare a soddisfare la domanda attuale, promuovere un'adozione di questo combustibile superiore e offrire conoscenze chiave per contribuire a ridurre i costi. Come tutti i nuovi settori, per avanzare più rapidamente è necessario un progresso misurabile nell'intera catena del valore.

 

Al crescere della domanda di idrogeno, il settore dovrà accelerare e ridimensionare la produzione e la distribuzione. Che utilizzino elettrolizzatori o reformer di metano a vapore con cattura del carbonio, le aziende dipenderanno da tecnologie di automazione avanzate combinate con processi avanzati e potenti analisi dei dati. Le tecnologie giuste possono contribuire a migliorare la produttività, ridurre la variabilità, diminuire il consumo energetico, ridurre le emissioni e convalidare la sostenibilità delle operazioni.

Il design dell'automazione globale basato su dispositivi intelligenti, IoT, sistemi di comando distribuito, analisi dei dati, gemelli digitali e strumenti di progettazione avanzati consente agli impianti di progettare una struttura e scalare facilmente, accelerare la curva di apprendimento, migliorare l'efficienza operativa, trarre vantaggio dalla manutenzione preventiva e ottimizzare i costi del ciclo di vita degli asset.

Emerson sta lavorando a un progetto pilota, chiamato PosHYdon, che sarà fondamentale per fornire informazioni sull'efficienza degli elettrolizzatori e sullo sviluppo di sistemi di produzione di idrogeno verde su larga scala.

PosHYdon produce idrogeno al largo dei Paesi Bassi, generando combustibili da fonti rinnovabili sfruttando l'elettricità verde delle turbine eoliche per alimentare il processo di produzione. Il metodo converte l'acqua di mare in acqua demineralizzata, quindi produce idrogeno in modo sicuro tramite elettrolisi. L'idrogeno viene quindi miscelato con gas naturale, trasportato verso la costa e immesso nella rete nazionale del gas.

Il progetto utilizza la tecnologia a sistema di comando distribuito DeltaV di Emerson per controllare le unità di desalinizzazione e l'elettrolizzatore, la miscelazione dei gas e il bilanciamento delle apparecchiature dell'impianto, garantendo al contempo sicurezza, tempo di disponibilità del processo ed efficienza operativa migliori.

I progetti per l'idrogeno sostenibile sono difficili perché hanno la necessità di integrare molte fonti di dati in un unico sistema di bilanciamento dell'impianto, un processo fondamentale per il successo di una struttura. Emerson sta collaborando con Toyota Australia per trasformare parte delle operazioni del produttore di auto in un impianto di produzione, stoccaggio e rifornimento di idrogeno di grado commerciale. Questo progetto fa affidamento sul sistema di controllo distribuito DeltaV™ di Emerson per estrarre e contestualizzare i dati dai complessi asset dell'impianto, rendendo più semplice il monitoraggio di produzione e stoccaggio di gas idrogeno e la convalida della sostenibilità delle operazioni.

"Incorporando una base di automazione digitale per eliminare i silos di dati, Toyota Australia può non solo ridurre significativamente i costi, ma anche ottenere una maggiore visibilità sulle prestazioni del sistema, semplificando il mantenimento e la segnalazione delle prestazioni di sostenibilità e aumentando la produttività", afferma Mark Bulanda, presidente esecutivo del business Automation Solutions di Emerson.

Un altro progetto entusiasmante è il Progetto avanzato di produzione di idrogeno verde della Mitsubishi Power Americas, che si prevede sarà uno dei più grandi hub industriali di produzione e stoccaggio di idrogeno verde del mondo. La struttura fornirà la materia prima di idrogeno all'adiacente progetto di rinnovo della centrale elettrica Intermountain (IPP) dell'Intermountain Power Agency, che utilizzerà la prossima generazione di simulazione dell'impianto totale che include :la tecnologia digital twin di Emerson, modelli di turbine a gas e turbine a vapore ad alta fedeltà Mitsubishi e analisi avanzate per supportare la messa in servizio e la formazione. La centrale a ciclo combinato con turbina a gas da 840 megawatt di IPP Renewal funzionerà inizialmente con una miscela di idrogeno verde al 30% e gas naturale al 70% di volume a partire dal 2025, per poi aumentare al 100% entro il 2045.

Trasporto e stoccaggio

Prima di poter essere utilizzato per l'energia, l'idrogeno deve essere convertito, conservato o trasportato. L'obiettivo è ridurre al minimo le perdite di idrogeno, sapere quanto idrogeno passa attraverso le trasmissioni e i punti di trasferimento e gestirlo in modo sicuro ed efficiente. Lo stoccaggio dell'idrogeno è una tecnologia chiave che consente il progresso dell'idrogeno in applicazioni che includono alimentazione fissa, alimentazione portatile e trasporto. Le molecole di idrogeno possono essere trasportate e immagazzinate in varie forme: H2 liquido, tramite Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) o come molecole di ammoniaca. Le caratteristiche dello stoccaggio dell'idrogeno sono molto complementari ad altre tecnologie di stoccaggio dell'energia a più breve termine come le batterie agli ioni di litio.

Esistono rischi gestibili per la sicurezza derivanti dalla sovrappressione e dal problema di perdite derivanti da elevate vibrazioni e condizioni di alta pressione. Le valvole antipompaggio, i rilevatori di vibrazioni e i regolatori di pressione contribuiscono a migliorare l'affidabilità e prevenire le emissioni fuggitive.

Distribuzione

Una chiave per un'adozione più rapida della tecnologia è utilizzare l'infrastruttura esistente, risparmiando tempo e denaro per l'implementazione del progetto. Miscelare l'idrogeno nelle condutture di gas naturale è un ottimo esempio. L'idrogeno di gas naturale combinato con la cattura del carbonio rappresenta un'enorme opportunità per accelerare l'adozione dell'idrogeno in tutto il mondo.

Tuttavia, la miscelazione di idrogeno nelle infrastrutture di gas naturale pone tre sfide: corrosione, perdite di idrogeno e qualità e intercambiabilità del gas. La tecnologia di monitoraggio della corrosione di Emerson è stata studiata su misura per soddisfare le esigenze specifiche dei gasdotti a idrogeno. Il monitoraggio remoto delle condutture fornisce un quadro dettagliato delle operazioni (monitoraggio dei prodotti, composizione dei fluidi e altro) per migliorare l'integrità delle tubazioni. I gascromatografi approvati per idrogeno garantiscono la conformità alla qualità del gas e alle specifiche contrattuali.

Con l'aiuto della tecnologia Emerson, il fornitore di energia canadese Enbridge  è il primo nel Nord America a utilizzare elettricità rinnovabile per produrre idrogeno privo di emissioni. Enbridge miscela l'idrogeno nell'infrastruttura del gas naturale per fornire energia più pulita a 3.500 abitazioni.

Consumo

Le stazioni di rifornimento a idrogeno alla fine sostituiranno le tradizionali stazioni di rifornimento di combustibile, richiedendo sistemi che soddisfino i più elevati standard di prestazioni e sicurezza. Le tecnologie di automazione aiutano a ridurre i costi di manutenzione e le interruzioni non pianificate nelle stazioni di rifornimento. Inoltre, le tecnologie avanzate di controllo Edge consentiranno di utilizzare stazioni senza pilota, con una soluzione più fattibile e conveniente.

Al tempo stesso, gli operatori desiderano garantire che le stazioni eroghino la giusta quantità di combustibile alla giusta pressione, in modo rapido e sicuro. La strumentazione avanzata per erogare volumi di combustibile accurati contribuirà a ridurre i costi, diminuire le perdite e garantire un funzionamento sicuro.

Anche le celle a combustibile che convertono il combustibile a idrogeno in energia pulita per veicoli devono essere affidabili e offrire un ingombro ridotto e leggero. L'ottimizzazione dei sistemi di celle a combustibile è fondamentale per eliminare i tempi di inattività e ridurre i costi.

Emerson sta lavorando con BayoTech, che sta costruendo centinaia di unità modulari ed efficienti per idrogeno per produrre idrogeno più pulito e a costo inferiore. Tali unità possono produrre fino a 1.000 chilogrammi di idrogeno al giorno, abbastanza da rifornire fino a 200 veicoli a celle a combustibile di idrogeno. Per ottenere una scalabilità globale, gli hub di produzione locali di BayoTech si affidano alle tecnologie di controllore logico programmabile ed Edge Control di Emerson, al monitoraggio remoto e a Microsoft Azure IoT Suite per operare in modo autonomo e sicuro.

Inoltre, i misuratori di portata Micro Motion Coriolis di Emerson, progettati per pressioni di esercizio elevate, sono utilizzati dalla stazione di rifornimento PitPoint di TotalEnergies nei Paesi Bassi per misurare in modo sicuro e accurato la portata di gas idrogeno. Partner della Total Energies Gas Mobility, Emerson è uno dei pochi fornitori di indicatori di portata da utilizzare in distributori di idrogeno certificati.

Il combustibile del futuro

L'idrogeno è il futuro di un mix energetico diversificato e ambientalmente sostenibile, ma abbiamo bisogno di un approccio bilanciato e accelerato attraverso l'intera catena del valore per trasformare questo obiettivo ambizioso in realtà. Con l'innovazione e la scalabilità delle soluzioni a idrogeno lungo tutta la catena del valore, aiuteremo a ridurre i costi, costruire la domanda e la fiducia dei consumatori e convalidare le tecnologie necessarie per produrre, trasportare, stoccare e consumare idrogeno. Ma arrivare al primo punto significa costruire una base solida che unisce tecnologie di automazione, ingegneria collaborativa e partner con competenze nel settore, e utilizzare l'infrastruttura esistente per accelerare lo sviluppo dell'idrogeno come fonte di energia pervasiva e affidabile, un vero combustibile per il futuro.