Tecnologie sicure per l’idrogeno: perché è essenziale?

L’idrogeno è estremamente volatile ed è la più piccola molecola esistente in natura. Per questo può penetrare attraverso molti materiali e sono necessari speciali guarnizioni e accorgimenti tecnici nella progettazione dei sensori. A ciò si aggiunge il fatto che spesso l’idrogeno viene stoccato e trasportato in presenza di condizioni estreme: a pressioni elevate in serbatoi di stoccaggio o a temperature criogeniche allo stato liquido. Moderni strumenti di misura di pressione e sensori di livello consentono un monitoraggio preciso di questi processi e contribuiscono a rendere possibile un utilizzo sicuro ed efficiente dell’idrogeno lungo l’intera catena di creazione del valore.

La produzione dell’idrogeno avviene attraverso metodi differenti, ma in tutti i processi gli strumenti di misura svolgono una funzione fondamentale.

Reforming a vapore – il metodo convenzionale
Attualmente, la maggior parte dell’idrogeno prodotto a livello mondiale viene ottenuta tramite il reforming di metano a vapore. In questo processo, il metano reagisce con vapore acqueo a una temperatura di circa 800 °C, generando una miscela di idrogeno e monossido di carbonio. Questa procedura è consolidata, ma produce forti emissioni di CO₂. Per questo si parla di "idrogeno grigio". Se la CO₂ viene catturata o utilizzata si parla di "idrogeno blu".

Elettrolisi – l’alternativa a basso impatto ambientale
Per la produzione di "idrogeno verde" climaticamente neutro si punta sempre più sull’impiego della tecnologia dell’elettrolisi. Questo metodo prevede la scissione delle molecole dell’acqua in idrogeno e ossigeno tramite corrente elettrica da fonti rinnovabili (come eolico, fotovoltaico, idroelettrico). I requisiti tecnici variano a seconda della procedura.

• Elettrolisi con elettrolizzatori alcalini (Alkaline ELectrolyser, AEL): come elettrolita si impiega potassa caustica. Il processo richiede condizioni operative costanti.
• Elettrolisi con membrana polimerica elettrolita (Polymer electrolyte membrane, PEM): utilizza una membrana polimerica e una dinamica operativa con la capacità di avvio e spegnimento rapido consente rapidi cambi di carico, per cui è particolarmente adatta per l’utilizzo con fonti rinnovabili, le cui variazioni intermittenti richiedono sistemi in grado di rispondere con immediatezza.
• Elettrolisi ad alte temperature con celle elettrolitiche a ossidi solidi (Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC): raggiungere gradi di rendimento particolarmente elevati tramite temperature di esercizio superiori ai 1000 °C, permettondo  di produrre idrogeno  con un maggior rendimento rispetto alle celle polimeriche o alcaline tradizionali.

In tutti i processi di elettrolisi, per garantire condizioni operative stabili sono essenziali misure di livello precise per lo stoccaggio dell’elettrolita, il monitoraggio della pressione nelle condutture del gas e il rilevamento di soglia di livello.

Poiché l’idrogeno gassoso ha una bassa densità energetica volumetrica, sono necessarie soluzioni di stoccaggio e trasporto ad alte prestazioni. La scelta del metodo più adatto dipende da fattori come percorso, efficienza e requisiti di sicurezza.

Stoccaggio a pressione
Il metodo più comune per lo stoccaggio dell’idrogeno è la compressione in serbatoi a pressione. L’idrogeno viene compresso fino a 700 bar e stoccato in speciali serbatoi realizzati in materiali ad alte prestazioni. Questa tecnologia trova impiego tra l’altro nei veicoli a celle a combustibile.
Lo stoccaggio sotto pressione comporta sfide tecniche non indifferenti, tra cui la misura esatta della pressione, per evitare stati di sovrapressione o di sottopressione, e il controllo della diffusione dell’idrogeno, che nel lungo periodo può causare perdite. I sensori per alte pressioni impiegati devono essere resistenti all’infragilimento.

Liquefazione
Per trasportare grandi quantità di idrogeno in modo efficiente, il gas viene raffreddato a temperature comprese tra -240 e -253°C e liquefatto. Questo riduce notevolmente il volume, ma è un processo ad alta intensità energetica, per il quale circa un terzo dell’energia immagazzinata viene utilizzato per il raffreddamento. Le temperature estremamente basse mettono a dura prova i sensori di pressione impiegati. Inoltre, i serbatoio criogenici super isolati impiegati per questo scopo devono essere raffreddati e monitorati ininterrottamente per minimizzare le perdite da evaporazione.

Legame chimico
Un’alternativa promettente è rappresentata dal legame chimico dell’idrogeno con molecole come l’ammoniaca (NH₃) o il metanolo. Questo consente un trasporto con l’infrastruttura esistente e la riconversione in idrogeno all’occorrenza. Anche qui, sensori di pressione e misure di livello affidabili rivestono un ruolo centrale per garantire uno stoccaggio e una distribuzione efficienti.

L’elevata capacità di diffusione dell’idrogeno rappresenta una sfida per gli strumenti di misura. I sensori con celle di misura rivestite in oro offrono una protezione efficace contro la penetrazione delle molecole di idrogeno e assicurano una misura stabile a lungo termine.
Anche l’infragilimento da idrogeno di componenti metallici richiede l’impiego di materiali robusti come l’acciaio speciale 316L o di particolari rivestimenti. Per garantire il funzionamento affidabile degli strumenti anche in presenza di condizioni estreme, VEGA impiega attacchi di processo per l'alta pressione e stagni alla diffusione.

VEGA offre sensori sviluppati appositamente per soddisfare le esigenze estreme nei processi dell’idrogeno:

• VEGABAR 83: con una cella di misura DMS a secco, questo strumento consente misure di pressione stabili nel lungo termine in presenza di pressione di processo estreme fino a 1000 bar.
• VEGABAR 82: con una cella di misura in ceramica priva di olio, questo sensore offre una misura affidabile dell’idrogeno gassoso. Inoltre, la cella di misura è resistente ai prodotti aggressivi come la potassa caustica impiegata nell’elettrolizzatore. 
• Serie VEGAFLEX: misure di livello affidabili anche in applicazioni con bassa costante dielettrica.
• VEGAPULS 6X: misura di livello radar ad alta precisione, ad esempio per la misura di elettroliti nella produzione di idrogeno.
• Sensori BASIC: per applicazioni meno complesse, VEGA offre sensori BASIC che consentono misure affidabili ed economiche di pressione e livello nei processi dell’idrogeno.

Ilsettore dell’idrogeno cresce a ritmi vertiginosi e con essa la necessità di poter contare su una strumentazione di misura affidabile. Nella produzione, nel trasporto o nello stoccaggio, gli strumenti di misura di pressione e i sensori di livello ad alta precisione sono essenziali per un impiego efficiente e sicuro dell’idrogeno.
VEGA offre soluzioni con celle di misura metalliche o in ceramica, attacchi protetti contro la diffusione dell’idrogeno e sensori per alte pressioni, sviluppati appositamente per le esigenze estreme delle applicazioni nei processi dell’idrogeno, per consentirne l’utilizzo ottimale e sicuro come vettore energetico del futuro.