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Applicazioni dell'idrogeno Archives - Switzerland (IT)
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L’idrogeno: una fonte di speranza

L’idrogeno: una fonte di speranza

.   Trasmettitori di pressione con diaframmi in acciaio inossidabile placcati in oro per la misurazione della pressione di gas speciali come l’idrogeno.

Molti esperti considerano l’idrogeno come il sostituto ideale del carbone e del petrolio; e del gas naturale nell’industria e nel trasporto, poiché non lascia praticamente nessun gas di scarico quando viene bruciato. In quanto elemento versatile è già utilizzato con successo in varie industrie.
Con l’idrogeno, la transizione energetica si basa su un nuovo pilastro, oltre alle energie rinnovabili e all’efficienza energetica. L’idrogeno prodotto da energie rinnovabili è un vettore energetico sostenibile, flessibile e facilmente trasportabile. Oltre agli attuali programmi di sostegno del governo tedesco, si stanno investendo sette miliardi di euro per stabilire l’idrogeno nel mercato, inoltre altri due miliardi di euro sono stati stanziati per i partenariati internazionali. L’attenzione si concentra sul cosiddetto idrogeno “verde”, che è prodotto esclusivamente da energie rinnovabili. Solo attraverso l’idrogeno verde è possibile ridurre le emissioni di CO2 utilizzando fonti di energia a basso contenuto di carbonio. In Europa, 9,8 milioni di tonnellate di idrogeno sono attualmente prodotte ogni anno, utilizzando principalmente combustibili fossili. La Commissione europea ha quindi fissato l’obiettivo di aumentare la produzione di idrogeno verde a un milione di tonnellate all’anno entro il 2024, e a dieci milioni di tonnellate entro il 2030.

Il processo di produzione dell’idrogeno

L’idrogeno esiste in natura in forma combinata ma non è facile da produrre. Per essere utilizzato come gas, la combinazione di idrogeno e ossigeno deve essere divisa. Ma questo processo di elettrolisi, che separa chimicamente l’idrogeno e l’ossigeno, richiede molta energia. Se si usa elettricità proveniente da impianti solari o eolici, si parla di idrogeno verde. Se proviene da combustibili fossili, si chiama idrogeno grigio.
L’idrogeno è già utilizzato su larga scala dall’industria. In questo caso, però, non viene utilizzato come vettore energetico, ma principalmente nella chimica industriale e petrolchimica nei processi di produzione stechiologica. L’idrogeno usato in queste applicazioni è principalmente l’idrogeno grigio, che viene prodotto da processi di elettrolisi o per lo più come sottoprodotto, per esempio nelle raffinerie.

Sensori di pressione per l’idrogeno: di cosa bisogna tener conto?
Indipendentemente dal modo in cui l’idrogeno viene prodotto e utilizzato, la gestione di questo elemento è molto esigente in termini di soluzioni tecniche. Soprattutto, lavorare con l’idrogeno allo stato gassoso è una sfida. L’idrogeno è l’elemento con la densità più bassa e il raggio atomico più piccolo. Questo crea un problema fondamentale nel trattamento di questo gas: il suo tasso di permeazione estremamente elevato. I materiali metallici sono permeabili all’idrogeno, il che ha un effetto negativo, per esempio, sull’uso dei trasduttori di pressione. Questi trasduttori sono costituiti da un alloggiamento pieno d’olio e da un diaframma d’acciaio spesso solo pochi micrometri. Se l’idrogeno si diffonde attraverso questo diaframma e si accumula nel trasduttore, il trasduttore sarà danneggiato o addirittura se esposto a lungo termine, distrutto. Nel caso peggiore, l’idrogeno può persino penetrare l’intero trasduttore, creando un rischio di esplosione acuta.
“Anche raddoppiando lo spessore della membrana si ottiene, nel migliore dei casi, un raddoppio del tempo di diffusione”, dice il nostro esperto, fondatore della STS Sensor Technik AG.
“Tuttavia, a contatto con l’idrogeno, il rivestimento in oro dei diaframmi in acciaio inossidabile dei nostri trasmettitori di pressione ci permette di aumentare il tempo fino al raggiungimento di un volume critico di idrogeno nel trasduttore di un fattore da 10 a 100. Con questo metodo, aumentiamo significativamente la sicurezza e la durata del sensore”. La ragione di questo effetto è la permeabilità 10’000 volte inferiore dell’oro rispetto all’acciaio inossidabile.

Rivestimento in oro della membrana – La piccola differenza
STS sviluppa, produce e vende soluzioni specifiche per le applicazioni nel campo della tecnologia di misurazione della pressione – dalla produzione alla calibrazione dei sensori e all’ispezione finale del prodotto finito. Queste applicazioni vanno dalla costruzione di macchine, alle applicazioni marine, alle applicazioni del gas, alle applicazioni mediche/farmaceutiche e alle applicazioni dell’idrogeno. Questi ultimi rappresentano una sfida particolare. Gli atomi di idrogeno sono estremamente piccoli e, a causa di questa proprietà, possono anche penetrare nei materiali solidi. Questo processo è chiamato permeazione. Con il tempo, i trasmettitori di pressione diventano inutilizzabili a causa di questo processo. STS utilizza diaframmi in acciaio inossidabile placcati in oro per le applicazioni con l’idrogeno e quindi ottimizza notevolmente la loro durata di vita.

Come funziona?

La permeabilità dell’oro è circa 10.000 volte inferiore a quella dell’acciaio inossidabile. Con un rivestimento d’oro di 1μm su un diaframma d’acciaio di 50 μm, la permeazione dell’idrogeno può essere ridotta più efficacemente che raddoppiando lo spessore del diaframma d’acciaio a 100 μm. Nel primo caso, il tempo necessario per raggiungere un volume critico di gas idrogeno accumulato all’interno del sensore di pressione, può essere aumentato di un fattore da 10 a 100, nel secondo caso solo di un fattore due. Il prerequisito per questo è un sistema completamente chiuso e una doratura impeccabile.
Il trasmettitore di pressione piezoresistivo ATM.1ST è ideale per queste applicazioni di misurazione della pressione statica e dinamica.
I suoi campi di misura sono da 0 … 50mbar a 0 … 1000 bar, precisioni fino a 0.05%FS, isteresi e ripetibilità sono migliori di 0.01%.
Grazie al suo design modulare, il trasmettitore di pressione ATM.1ST può essere adattato individualmente a molte applicazioni.

CTD (conducibilità, temperatura, profondità)

CTD (conducibilità, temperatura, profondità)

Un CTD – un acronimo per conducibilità, temperatura e profondità – è lo strumento principale utilizzato per determinare le proprietà fisiche essenziali dell’acqua marina. Fornisce agli scienziati una rappresentazione accurata e completa della distribuzione e della variazione della temperatura dell’acqua, della salinità e della densità per capire come gli oceani influenzano la vita.

Come funziona.

Il CTD a bordo consiste in una serie di piccole sonde attaccate a una grande ruota di metallo a rosetta. La rosetta viene affondata sul fondo del mare tramite un cavo, e gli scienziati monitorano le proprietà dell’acqua in tempo reale tramite un cavo dati che collega il CTD a un computer sulla nave. Un dispositivo telecomandato permette di chiudere selettivamente le bottiglie d’acqua durante la risalita dello strumento. Un CTD standard impiega dalle due alle cinque ore per raccogliere una serie completa di dati, a seconda della profondità dell’acqua. I campioni d’acqua sono spesso raccolti a profondità specifiche in modo che gli scienziati possano conoscere le proprietà fisiche della colonna d’acqua in quel particolare luogo e momento.

Piccoli sensori CTD a bassa potenza sono utilizzati anche in strumenti autonomi:

Un profiler ormeggiato effettua misurazioni ripetute delle correnti oceaniche e delle proprietà dell’acqua su e giù attraverso quasi tutta la colonna d’acqua, anche in acque molto profonde. Gli strumenti di base che trasporta sono un CTD per la temperatura e la salinità e un ACM (misuratore acustico di corrente) per misurare le correnti, ma altri strumenti possono essere aggiunti, compresi i sensori bio-ottici e chimici.

Gli Spray Gliders vagano nell’oceano in modo indipendente, eseguendo rotte pre-programmate ed emergendo occasionalmente per trasmettere i dati raccolti e accettare nuovi comandi. Mentre navigano orizzontalmente attraverso l’oceano, le vesciche interne controllano la loro galleggiabilità, permettendo loro di navigare su e giù attraverso la colonna d’acqua come le balene e altri animali marini.

I galleggianti sono robot galleggianti che prendono profili o serie verticali di misure (ad esempio, temperatura e salinità) negli oceani.

I veicoli subacquei autonomi (AUV) sono veicoli robotici programmabili che, a seconda del loro design, possono andare alla deriva, guidare o scivolare attraverso l’oceano senza controllo in tempo reale da parte di operatori umani. Alcuni AUV comunicano con gli operatori periodicamente o continuamente attraverso segnali satellitari o segnalatori acustici subacquei per consentire un certo livello di controllo.

Quali piattaforme sono necessarie?
Una varietà di altri accessori e strumenti possono essere inclusi nel pacchetto CTD. Questi includono bottiglie Niskin che raccolgono campioni d’acqua a varie profondità per misurare le proprietà chimiche, profilatori acustici di corrente Doppler (ADCP) che misurano la velocità orizzontale, e sensori di ossigeno che misurano i livelli di ossigeno disciolto nell’acqua.

Caratteristiche dei sensori del CTD

  • Resistente all’acqua salata
  • Alta precisione
  • Leggero
  • Basso consumo energetico
  • Può essere utilizzato a profondità fino a diverse migliaia di metri

Commenti:
I piccoli sensori CTD a bassa potenza utilizzati su strumenti autonomi come i profilatori della colonna d’acqua, gli alianti spray, i galleggianti e gli AUV sono più complessi da utilizzare. La limitazione principale è la necessità di calibrare i singoli sensori. Questo è particolarmente vero per gli strumenti autonomi che sono schierati per lunghi periodi di tempo. (I CTD delle navi fanno riferimento ai dati dei campioni d’acqua, che generalmente non sono disponibili per gli strumenti autonomi). Pertanto, i sensori devono essere stabili per il periodo di dispiegamento, o si devono fare ipotesi sulle proprietà dell’acqua di mare e fare riferimento ai dati. Le proprietà delle acque profonde sono in genere molto stabili, quindi i dati dei sensori autonomi sono abbinati alle proprietà storiche dell’acqua in profondità.
STS fornisce celle di pressione ad alta precisione per questa applicazione specifica.

Maggiori informazioni su questo prodotto personalizzato

Un motore a idrogeno con iniezione diretta ad alta pressione potrebbe sostituire il turbodiesel?

Un motore a idrogeno con iniezione diretta ad alta pressione potrebbe sostituire il turbodiesel?

Non più benvisto, il motore diesel, una volta leggendario, sembra abbia fatto il suo corso. Persino città come Parigi, che una volta incentivavano l’uso del diesel, ora chiedono agli OEM di fermarne la produzione entro il 2025. Sebbene sia altamente improbabile che questo accada, è un segno di quanto il mondo sia preoccupato per il riscaldamento globale e per l’inquinamento atmosferico in generale.

Per rispettare le norme sempre più severe sulle emissioni, gli OEM stanno studiando nuove forme di propulsione spesso mai provate prima d’ora. Si stanno testando tutti i possibili scenari: dai motori completamente elettrici agli ibridi e persino quelli a celle a combustibile di idrogeno. 

L’idrogeno, in particolare, sta riscuotendo interesse tra i ricercatori di tutto il mondo – viene ritenuto un carburante pulito che potrebbe benissimo diventare il propulsore dei trasporti del futuro. 

La differenza tra l’idrogeno e gli idrocarburi tradizionali sta nel suo ampio campo stechiometrico che va dal 4 al 75 percento del volume di idrogeno in aria e inoltre, in condizioni ideali, la velocità di combustione dell’idrogeno può raggiungere alcune centinaia di metri al secondo. Queste caratteristiche lo rendono altamente efficiente nella combustione di miscele magre con basse emissioni di NOx. 

Quarant’anni di sistemi di iniezione ad idrogeno 

L’iniezione ad idrogeno esiste dagli anni ’70 e consiste nell’iniettare idrogeno in un motore a combustione interna modificato. In questo modo il motore brucia in modo più pulito, con maggiori prestazioni e minori emissioni. 

I precedenti sistemi a bassa pressione, tuttora in uso, iniettavano l’idrogeno nell’aria prima di arrivare nella camera di combustione. Si verificavano, però, diversi problemi poiché l’idrogeno brucia 10 volte più velocemente del diesel e, una volta mescolato al diesel nella camera di combustione, la velocità di combustione aumenta. I problemi principali sono: 

  • Ritorno di fiamma del gas nel collettore
  • Preaccensione e/o autocombustione

Il modo migliore per superare questi problemi è installare un sistema di iniezione diretta ad alta pressione che inietti il carburante in una fase successiva della corsa di combustione. 

Ottimizzare il processo di combustione attraverso la misurazione accurata della pressione 

Per ottimizzare il processo di combustione, l’iniezione deve essere accuratamente mappata sul motore e questo può avvenire soltanto mediante la raccolta dei dati di prova riguardanti la temperatura (collettore, EGT e refrigerante), la pressione (cilindro/sovralimentatore, tubi e iniettore), la turbolenza nel collettore e nella camera di combustione e, infine, la composizione del gas. 

I processi di formazione della miscela, di iniezione e di combustione sono solitamente studiati attraverso due diversi gruppi di esperimenti. Lo scopo del primo esperimento è ottenere informazioni sulla concentrazione altamente transitoria e sulla distribuzione dell’idrogeno durante il processo di iniezione. 

Durante questo test viene impiegata una fluorescenza indotta da laser (LIF: Laser-Induced Fluorescence) sulle molecole traccianti come tecnica primaria di misurazione per studiare il comportamento dell’idrogeno durante la compressione e l’accensione. Utilizzando una camera di combustione a volume costante delle stesse dimensioni del vero motore a combustione interna– ciò significa che il volume della camera di combustione è uguale al volume del cilindro nel punto morto superiore – viene iniettato l’idrogeno pressurizzato nell’aria fredda pressurizzata mediante una valvola a spillo controllata idraulicamente. 

Grazie ai sensori di pressione di alta qualità è possibile studiare l’effetto delle varie pressioni di iniezione sul processo di combustione. Osservando il comportamento e il volume del gas incombusto, si riduce drasticamente il tempo impiegato per ottimizzare la pressione di iniezione per un determinato numero e posizione dei fori dell’ugello dell’iniettore, nonché la direzione di iniezione. 

Grazie all’utilizzo di un software unico nel suo genere è possibile determinare il ritardo di accensione, che dipende dalla temperatura e dalla concentrazione di idrogeno nell’aria ad una data pressione. Anche in questo caso è importante che le letture della pressione siano registrate in modo accurato entro un range di pressioni che varia tra 10 e 30 MPa. 

Inoltre, questo metodo permette di definire le aree del getto di iniezione laddove si verificano le condizioni di autoaccensione. Questo è utile per sviluppare un sistema di iniezione ottimizzato per i motori che devono essere convertiti dal carburante diesel all’idrogeno. 

Negli ultimi test condotti da un OEM marchio premium, il motore ad iniezione ad idrogeno ad alta pressione ottimizzato ha mostrato un promettente aumento della potenza specifica a fronte di una riduzione del consumo di carburante, raggiungendo così il 42% di efficienza. I valori ottenuti corrispondono ai valori dei migliori motori turbodiesel. 

Sulla base delle scoperte sembrerebbe chiaro che il lavoro svolto per ottimizzare la pressione dei sistemi a 30 MPa possa di fatto fornire un’altra fonte di energia pulita per i trasporti del futuro. 

Infragilimento causato dall’idrogeno nell’acciaio

Infragilimento causato dall’idrogeno nell’acciaio

Il chip del sensore dei trasmettitori di pressione piezoresistivi è solitamente circondato da una membrana in acciaio. Nella maggior parte delle applicazioni l’acciaio inossidabile è utilizzato anche per realizzare il corpo degli strumenti di misura. Se, però, il materiale entra in contatto con l’idrogeno, può indebolirsi e rompersi.

Cosa s’intende per infragilimento? 

L’infragilimento da idrogeno indica una perdita di duttilità del metallo. La duttilità descrive la proprietà dei materiali di deformarsi plasticamente sotto carico prima di rompersi. L’acciaio, a seconda del tipo, può deformarsi di oltre il 25 percento. I materiali che non hanno questa capacità sono detti fragili. 

Anche i materiali duttili possono diventare fragili, cioè indebolirsi. Se l’infragilimento del materiale è causato dall’assorbimento di idrogeno si parla di infragilimento da idrogeno. 

L’infragilimento da idrogeno si verifica quando l’idrogeno atomico si diffonde nel materiale. Prerequisito dell’infragilimento da idrogeno è generalmente la corrosione da idrogeno. 

La corrosione da idrogeno, detta anche corrosione acida, ha luogo ogni volta che si verifica una carenza di ossigeno e il metallo entra in contatto con l’acqua. Il prodotto finale dell’ossidoriduzione è l’idrogeno puro che ossida il metallo. Il metallo va in soluzione sottoforma di ioni, provocando un degrado uniforme del metallo. 

Grazie alle dimensioni ridotte dell’atomo di soli circa 0,1 nanometri, l’idrogeno sprigionatosi attraverso l’ossidoriduzione si diffonde nell’acciaio. L’idrogeno va ad occupare direttamente il reticolo metallico del materiale sottoforma di atomi interstiziali. Difetti reticolari aumentano la capacità di assorbimento. Si arriva così a una fatica chimica dei materiali, che, già a bassi carichi, può causare rotture improvvise dall’interno verso l’esterno. 

L’idrogeno e i trasmettitori di pressione 

In virtù delle dimensioni molto ridotte, l’idrogeno non solo riesce a penetrare nel materiale, ma può pervaderlo completamente. Questo significa che non può verificarsi soltanto un infragilimento del materiale. Le membrane di metallo dei sensori di pressione piezoresistivi sono molto sottili : infatti, più sottili sono e più il sensore è sensibile e preciso. L’idrogeno diffuso nella/attraverso la membrana (permeazione) può reagire con il fluido di trasferimento di pressione che circonda il chip del sensore. Di conseguenza, per via dell’assorbimento dell’idrogeno, si modificano le proprietà tecniche di misurazione del ponte di misura. Allo stesso tempo, per via di questi assorbimenti, può verificarsi anche un aumento della pressione, che provoca una curvatura della membrana del sensore fino alla sua completa rottura. 

Al di là di una membrana più spessa, quindi di conseguenza piuttosto imprecisa, questo processo può essere fortemente ritardato utilizzando una lega d’oro. In tal modo, la durata di vita del dispositivo sarà ottimizzata. Qui potete leggere maggiori informazioni.

Ottimizzazione del ciclo di vita dei trasmettitori di pressione a contatto con l’idrogeno

Ottimizzazione del ciclo di vita dei trasmettitori di pressione a contatto con l’idrogeno

Gli atomi di idrogeno sono molto piccoli. Per via di questa proprietà penetrano anche i materiali solidi. Questo processo è chiamato “permeazione”. Con il passare del tempo, questo meccanismo impedisce ai trasmettitori di pressione di funzionare. Il ciclo di vita può, però, essere ottimizzato.

Nei trasmettitori di pressione piezoresistivi il chip del sensore è circondato da un liquido, solitamente olio. Quest’area è a sua volta separata da una membrana in acciaio inossidabile molto sottile, spessa da 15 a 50 μm. A causa delle piccole dimensioni dell’atomo di idrogeno, il gas può filtrare attraverso il reticolo cristallino dei metalli (vedi l’infografica). Con il tempo questo fa sì che il gas penetrato raggiunga un offset del punto zero del segnale non più tollerabile e si formi un rigonfiamento sulla membrana in acciaio. Di conseguenza, il sensore di pressione non è più utilizzabile.

Panoramica delle proprietà dell’idrogeno

Infographic: malachy120///AdobeStock

I sensori di pressione entrano in contatto con l’idrogeno in un gran numero di applicazioni, come per il monitoraggio dei serbatoi di idrocarburi sia nei sottomarini che nell’industria automobilistica. Soprattutto in quest’ultimo caso si fa sempre più ricorso all’idrogeno per lo sviluppo di sistemi di propulsione alternativi. Da qualche anno, molti produttori lavorano su modelli con celle a combustibile e alcune città hanno già puntato su autobus a idrogeno per il trasporto pubblico. I vantaggi sono innegabili: come materie prime servono solo idrogeno e ossigeno. Attraverso una reazione chimica si genera energia sotto forma di energia elettrica, senza produrre alcun tipo di gas di scarico (il prodotto della combustione è vapore acqueo).Inoltre, a differenza dei combustibili fossili, l’idrogeno è disponibile in quantità inesauribili. Il suo sviluppo è già in fase avanzata, per cui esistono modelli che per 100 chilometri consumano solo 3 litri di idrogeno. Percorrere una distanza fino a 700 chilometri con un pieno è, in parte, già possibile.

In questo settore sono necessari trasmettitori di pressione ad alte prestazioni e ad alta precisione per monitorare i serbatoi di idrogeno dei veicoli. Occorre, di fatto, monitorare la pressione e la temperatura nel serbatoio di idrogeno del veicolo. Al suo interno si raggiungono pressioni fino a 700 bar, ma bisogna coprire anche un campo di temperatura superiore. Ovviamente è fondamentale che i trasmettitori di pressione impiegati svolgano il loro compito con la precisione richiesta per un lungo periodo di tempo. Al fine di ottimizzare la durata di vita del sensore in applicazioni con l’idrogeno, occorre prestare attenzione a diversi fattori che la influenzano:

  • Intervallo di pressione: il flusso del gas attraverso la membrana del sensore è proporzionale alla radice quadrata della pressione del gas. Una pressione dieci volte inferiore aumenta la durata di vita del sensore di circa 3 volte.
  • Temperatura: il flusso del gas attraverso la membrana del sensore aumenta a temperature più elevate e dipende dalla costante del materiale.
  • Spessore della membrana: il flusso del gas è inversamente proporzionale allo spessore della membrana. L’utilizzo di una membrana spessa 100 μm, invece di una spessa 50 μm, raddoppia la durata di vita del sensore.
  • Superficie della membrana: il flusso del gas è direttamente proporzionale alla superficie della membrana (il quadrato del diametro della membrana). Con una membrana da Ø 13 mm, invece di una da Ø 18,5 mm, la durata di vita del sensore raddoppia.

Poiché nei serbatoi di idrogeno dei veicoli possono verificarsi sia pressioni elevate che forti variazioni di temperatura, la durata di vita dei sensori non è influenzata da questi due fattori. Anche i fattori dello spessore e della superficie della membrana influiscono solo in parte. Il ciclo di vita può essere migliorato da questi fattori – è vero – ma non in modo ottimale.

Rivestimento in oro: la soluzione più efficace

La permeabilità dell’oro è 10000 volte inferiore di quella dell’acciaio inossidabile. Con il rivestimento in oro (0.1 fino a 1 μm) di una membrana in acciaio da 50 μm, la permeazione dell’idrogeno può essere ridotta in modo molto più efficace che raddoppiando lo spessore della membrana a 100 μm. Nel primo caso, il periodo di tempo in cui si accumula un volume critico di gas idrogeno all’interno del sensore di pressione può essere prolungato per un fattore da 10 a 100, nel secondo caso solo per un fattore di due. Questo presupponendo una saldatura ottimizzata e il più possibile senza buchi, nonché un rivestimento sostanzialmente senza imperfezioni.

Immagine 1: esempio di trasmettitore di pressione con membrana rivestita in oro.

A causa delle proprietà dell’oro riguardo alla permeabilità dell’idrogeno, come standard per queste applicazioni con l’idrogeno la STS utilizza membrane in acciaio inossidabile rivestite in oro.

Scarica l’infografica STS gratuita su questo argomento ora:

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