Pronti a partire - per l'energia del futuro
1 novembre 2023
L'energia del futuro
Elastomeri per applicazioni a idrogeno
Il Gruppo Angst+Pfister ha testato in modo approfondito l'idoneità dei suoi elastomeri per le applicazioni con l'idrogeno, fornendo anche risposte al crescente numero di richieste dei clienti su questa tecnologia futura. Le indagini stanno producendo sempre più conoscenze utili ai clienti sulle guarnizioni nell'ambiente dell'idrogeno. I risultati sono già stati applicati con successo nella pratica.
L'idrogeno è il materiale più piccolo, leggero e comune del nostro universo. Tuttavia, raramente esiste in forma pura. Di solito è legato chimicamente all'ossigeno nell'acqua o al carbonio negli idrocarburi dei combustibili fossili. Come fonte e vettore di energia, presenta molteplici vantaggi ed è anche oggetto di notevoli discussioni.
La produzione di idrogeno verde non produce CO2. Può essere generato da fonti rinnovabili. Tuttavia, i costi sono ancora relativamente elevati. Ma nei prossimi anni i costi saranno ridotti grazie a maggiori investimenti nelle tecnologie correlate. L'idrogeno ha un futuro molto luminoso: potrebbe decarbonizzare l'industria pesante. Può essere immagazzinato in modo sicuro per lungo tempo. Può essere utilizzato nei veicoli elettrici a celle a combustibile. Inoltre, l'idrogeno contribuisce alla sicurezza dell'approvvigionamento energetico diversificando il mix di combustibili.
Dal grigio al blu al verde
Oggi esistono tre metodi principali di produzione dell'idrogeno.
- L'idrogeno grigio si ottiene attraverso un processo di conversione termochimica che "riforma" i combustibili fossili in idrogeno. La CO2 viene prodotta come "prodotto di scarto" e rilasciata nell'atmosfera.
- Quando si accoppia la via di produzione dell'idrogeno grigio con le tecnologie CCS (Carbon Capture and Storage) si ottiene la cosiddetta via dell'idrogeno blu, che raggiunge un bilancio neutro di CO2.
- Il processo più interessante per la futura produzione di energia è la produzione di idrogeno verde. L'acqua viene scissa nei suoi componenti di ossigeno e idrogeno per mezzo dell'elettrolisi alimentata da energia elettrica ottenuta da fonti rinnovabili ed è neutrale dal punto di vista del carbonio.
L'idrogeno verde non è ancora molto diffuso. La produzione di idrogeno grigio è di gran lunga la più comune, poiché è la più economica. Circa il 95% dell'idrogeno viene attualmente prodotto con questo metodo. Per l'utilizzo su larga scala dell'idrogeno verde devono essere risolti alcuni problemi tecnici e sono necessarie ulteriori ricerche. Le tendenze e gli investimenti puntano sempre più verso processi di produzione a zero emissioni di CO2.
L'idrogeno è adatto a molti mercati e applicazioni. È promettente come fonte di calore per le case e le aziende e per l'industria pesante. L'idrogeno può essere utilizzato come carburante per i trasporti o per produrre elettricità. Inoltre, è una materia prima importante per molte industrie, come le raffinerie o l'industria chimica.
Guarnizioni per applicazioni con idrogeno
Le guarnizioni in elastomero sono necessarie ovunque l'idrogeno venga prodotto, trasportato o immagazzinato. I requisiti di queste guarnizioni sono molto impegnativi. Devono funzionare in un ampio intervallo di temperature. Devono inoltre essere in grado di gestire pressioni elevate. La permeabilità è fondamentale, quindi le mescole di gomma devono resistere all'idrogeno. Il Gruppo Angst+Pfister sta eseguendo test di idoneità approfonditi su tutti i suoi prodotti esistenti e sui nuovi sviluppi per l'uso in applicazioni con idrogeno.
In presenza di gas, la permeabilità delle guarnizioni è sempre particolarmente importante. La struttura degli elastomeri funge da barriera al trasporto dei gas. Tuttavia, i gas possono ancora diffondersi lentamente attraverso l'impalcatura polimerica. In questo caso entrano in gioco due proprietà termodinamiche:
- La diffusione descrive la velocità con cui il gas si diffonde in un materiale.
- La solubilità, invece, quantifica la quantità di gas assorbita dal materiale.
Il prodotto di questi due fattori è la permeabilità. Questa, 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. Nel caso dei gas, contano sia le dimensioni delle molecole che la loro interazione con il materiale di tenuta. Le molecole piccole, come l'idrogeno, si diffondono più facilmente.
Test approfonditi sui materiali
Angst+Pfister ha recentemente testato il proprio portafoglio di materiali per le applicazioni con l'idrogeno. L'attenzione si è concentrata su FKM, EPDM e HNBR. Sulla base delle richieste del mercato, i test sono iniziati con materiali con una durezza Shore A di 90, per applicazioni in cui la pressione può essere elevata. Gli ingegneri di Angst+Pfister hanno ideato tre diversi test:
- Determinazione della permeabilità ai gas (coefficiente di permeazione) secondo la norma ISO 2782-1 in idrogeno puro.
- Test di tenuta con metodo interno con idrogeno puro e una miscela di metano
- Test di decompressione rapida dei gas (abbreviato in RGD) secondo lo standard NORSOK M-710 con idrogeno puro.
Il tipo di polimero e la formulazione del composto influenzano la permeazione
Abbiamo scoperto che la solubilità dell'idrogeno è bassa (a differenza della CO2, che può penetrare negli elastomeri in grandi quantità e quindi causare problemi come la rapida decompressione del gas), mentre la diffusione è relativamente alta. Ricordiamo che la permeazione è il prodotto dei coefficienti di diffusione e di solubilità. Pertanto, si può anche dire che la permeazione è relativamente bassa. L'idrogeno può penetrare facilmente nel materiale, ma non vi rimane. I test hanno confermato le nostre aspettative teoriche. Il tipo di polimero e la mescola di gomma influenzano la permeazione. I test di permeazione ci permettono di classificare i nostri materiali interni in base all'idoneità alle applicazioni dell'idrogeno. Angst+Pfister può fornire dati dettagliati ai clienti interessati.
La permeazione come causa principale delle perdite
I test di tenuta sono stati condotti in condizioni identiche a quelle dei test di permeazione. Anche la geometria degli O-ring influisce sulle perdite. In linea di massima, i risultati del test di tenuta hanno mostrato la stessa classificazione all'interno dei materiali riscontrata per la permeazione, suggerendo quindi che la permeazione (o perdita naturale) è la causa principale delle perdite. In altre parole, non è dovuta a perdite superficiali.
La resistenza alla decompressione è probabilmente trasferibile
Uno dei materiali più performanti (FKM1) è stato sottoposto al test RDG. Il nostro FKM 1 ha ricevuto la migliore valutazione possibile (0000) dallo standard Norsok, che ha origini profonde nell'industria del petrolio e del gas. I test suggeriscono che questo materiale, che ha già dimostrato di essere resistente alla decompressione con altri gas (metano e CO2), funziona anche con l'idrogeno e che, eventualmente, l'idrogeno causerà problemi limitati di decompressione rapida del gas.
Conclusioni e prospettive
La permeazione sembra essere il fattore principale che influenza il funzionamento delle guarnizioni nelle applicazioni con idrogeno. I materiali che hanno dimostrato di essere resistenti alla decompressione con altri gas potrebbero non avere problemi con l'idrogeno, ma questo deve essere dimostrato. Angst+Pfister sta quindi pianificando ulteriori test con idrogeno puro e pressioni superiori a 150 bar. Allo stesso modo, i compound di Angst+Pfister con una durezza Shore di 70 saranno sottoposti a test di permeazione e tenuta per essere eventualmente utilizzati per applicazioni a pressione moderata. Allo stesso tempo, Angst+Pfister sta lavorando a progetti con i clienti per sviluppare nuove soluzioni di tenuta per applicazioni con idrogeno.
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