Protezione Ex su misura per l'elettrolisi
Elettrolisi in sicurezza grazie alle elevate competenze in materia
L'idrogeno verde è il futuro. Per raggiungere questo importante obiettivo, tuttavia, è assolutamente necessario aumentare in modo significativo le capacità di elettrolisi. Per riuscire ad ottenere uno scale-up efficace, non sono necessari solo concetti di impianto modulari, ma anche soluzioni personalizzate per la protezione antideflagrante delle tecnologie elettroniche e di automazione impiegate. Ed è proprio una di queste soluzioni che R. STAHL ha sviluppato dal proprio portafoglio di apparecchi per un costruttore di elettrolizzatori.
Elettrolisi
La richiesta è enorme: secondo l'obiettivo del piano REPowerEU della Commissione Europea, entro il 2030 si dovranno infatti produrre 10 milioni di tonnellate di idrogeno all'anno da energie rinnovabili nella sola Unione Europea. E quasi tutti i maggiori Paesi industriali del mondo hanno già adottato le proprie strategie per l'idrogeno. Utilizzati per produrre idrogeno verde a partire da elettricità e acqua generate in modo rinnovabile, gli elettrolizzatori svolgono quindi un ruolo fondamentale in questo senso. Nonostante se ne parli già molto, la capacità effettiva degli elettrolizzatori di idrogeno attualmente installati è ancora "una goccia nel mare" rispetto alla domanda: ai circa 0,2 gigawatt prodotti attualmente a livello mondiale si contrappongono i 40 gigawatt richiesti entro il 2030, che, secondo uno studio di Aurora Energy Research, sono a loro volta destinati a salire a 213 GW entro il 2040.
L'idrogeno è richiesto in molti settori dell'economia, soprattutto in quei segmenti come l'industria dell'acciaio e del cemento e l'industria chimica, che sarebbero difficili da decarbonizzare senza il suo utilizzo. Ma non si tratta solo dell'impiego come materia prima e gas energetico. Nell'ambito di un sistema energetico integrato, l'idrogeno verde serve anche come riserva di energia per l'elettricità in eccesso proveniente da impianti eolici o solari, allo stato gassoso o convertito in ammoniaca o idrocarburi sintetici.
Oltre all'elettrolisi alcalina, la più diffusa fino ad oggi, i numerosi processi di elettrolisi comprendono anche l'elettrolisi con membrana a scambio protonico (PEM), ancora relativamente nuova. Il vantaggio decisivo di questa variante consiste nella capacità di raggiungere il pieno regime in pochi secondi, caratteristica che sta diventando sempre più determinante considerata la prospettiva di quantità altamente fluttuanti di energia eolica e solare. Nella PEM gli atomi di idrogeno si caricano positivamente sull'anodo trasformandosi così in protoni che raggiungono il catodo attraversando una speciale membrana. Sul catodo i protoni si legano agli elettroni e formano molecole di idrogeno.
Ai fini della sicurezza è fondamentale mantenere la separazione dall'aria ambiente e tra il compartimento catodico e quello anodico, poiché l'idrogeno che fuoriesce dal sistema forma una miscela estremamente esplosiva con l'ossigeno dell'aria ambiente o del compartimento anodico.
Protezione Ex negli impianti di idrogeno
Una delle peculiarità dell'idrogeno rispetto ad altri gas infiammabili è l'ampio range di esplosione: le miscele con un contenuto compreso tra il 4 e il 77% in volume sono esplosive e le fiamme si propagano molto rapidamente nelle esplosioni di idrogeno. Inoltre, per accendere una miscela di idrogeno e aria è necessaria un'energia limitata, pari a 0,02 mJ, 15 volte meno di quella richiesta dal metano. Anche per questo motivo l'idrogeno è assegnato al gruppo di esplosione (IIC) a più alto rischio. Il fatto che le esplosioni con l'idrogeno siano comunque relativamente rare è dovuto non da ultimo alla vasta esperienza dell'industria (petrol)chimica nella manipolazione del gas. Un prerequisito, tuttavia, è la conformità alle norme di sicurezza pertinenti in materia di protezione dalle esplosioni, tra cui la IEC 60079 e la IEC80079, nonché i requisiti speciali per la costruzione e il funzionamento degli impianti di elettrolisi descritti nella norma ISO 22734.
Oltre alla tenuta del sistema (protezione antideflagrante primaria), un ruolo importante è svolto dall'adozione di misure atte a evitare possibili sorgenti di innesco (protezione antideflagrante secondaria). Il fattore decisivo è la classificazione della zona risultante dall'analisi dei rischi, secondo cui la zona 0 indica aree in cui possono generarsi atmosfere esplosive frequentemente o per un lungo periodo, mentre la zona 2 identifica le aree in cui possono verificarsi atmosfere esplosive raramente durante il normale funzionamento e solo per un breve periodo di tempo. Negli impianti di elettrolisi questa situazione può essere evitata, ad esempio utilizzando un sistema di ventilazione forzata.
Produzione di fertilizzanti con elettrolisi PEM
Per far decollare l'economia basata sull'idrogeno, è necessario avviare una produzione di massa degli elettrolizzatori. Puntando su un design modulare, i costruttori ottengono grandi capacità combinando singoli moduli. R. STAHL ha passato in rassegna tutti i componenti dell'elettrolizzatore alla ricerca di potenziali sorgenti di innesco per un importante costruttore di elettrolizzatori a base PEM, riuscendo ad implementare un efficace sistema di protezione antideflagrante per i componenti elettrici ed elettronici da impiegare in un progetto di generazione dell'idrogeno per la produzione di fertilizzanti. Con una capacità di elettrolisi di 24 megawatt, basata su 12 moduli di elettrolisi, l'impianto fornirà in futuro idrogeno verde per la produzione di 20.500 tonnellate di ammoniaca all'anno, che saranno a loro volta utilizzati per produrre circa 80.000 tonnellate di fertilizzante ecologico. Rispetto alla produzione classica basata sul gas naturale, il nuovo processo consente di risparmiare circa 41.000 tonnellate di emissioni di anidride carbonica all'anno.
A causa dell'elevata concentrazione di idrogeno negli impianti per l'elettrolisi, le immediate vicinanze dell'impianto sono classificate come Zona Ex 2 IIC T1, in cui possono generarsi atmosfere esplosive raramente e per breve tempo; a causa dell'elevata infiammabilità, l'idrogeno rientra nel gruppo di gas a rischio più elevato (IIC) e la temperatura superficiale massima consentita è di soli 450 °C secondo la norma T1. La tecnologia di sicurezza utilizzata nell'area Ex deve essere progettata di conseguenza.
Per quanto riguarda le apparecchiature elettriche, particolare attenzione è stata riservata allo sviluppo di una soluzione il più possibile scalabile e, considerato lo spazio limitato disponibile, anche compatta, al fine di ottenere una sicurezza a 360° a livello di funzionamento, trasmissione dei segnali e collegamenti elettrici per l'intero ciclo di vita del sistema. Era necessario, ad esempio, garantire che i sensori installati nel sistema trasmettessero le informazioni in modo sicuro al sistema di controllo installato nell'area non pericolosa. Particolarmente determinante era assicurare il monitoraggio della tensione continua necessaria per l'elettrolisi, una delle numerose esigenze particolari del costruttore dell'impianto alle quali i partecipanti al progetto per conto di R. STAHL hanno dovuto rispondere con particolare attenzione e sensibilità.
Personalizzazione di componenti standard
L'obiettivo è stato portato a termine, tra l'altro, utilizzando gli isolatori ISpac, che fungono da "cancello di sicurezza" tra i segnali elettronici sul lato del controllo e i segnali a sicurezza intrinseca (Ex i) sul lato del sensore, separandoli galvanicamente l'uno dall'altro. Tutte le linee di alimentazione e di controllo dell'elettrolizzatore convergono in morsettiere comuni. Per questo specifico progetto sono state utilizzate quasi 100 morsettiere Ex della serie 8150 in acciaio inox, particolarmente resistenti. Progettate con la classe di protezione IP 66, le custodie a tenuta di polvere resistono anche a forti getti d'acqua. La guarnizione in silicone utilizzata nel coperchio della custodia è adatta a intervalli di temperatura estremi.
Infine, i dispositivi di comando e segnalazione installati in loco nell'impianto, compresi gli interruttori o i pulsanti di arresto di emergenza, devono soddisfare i requisiti di protezione antideflagrante. In questo caso specifico, sono stati scelti gli apparecchi di comando e segnalazione della serie 8040 di R. STAHL, particolarmente flessibili e disponibili con elementi di comando diversi.
Il fatto che R. STAHL possa fornire, oltre a questi componenti principali, anche altri materiali da utilizzare in aree pericolose - tra cui, in particolare, I/O remoti, dispositivi per gruppi di continuità (UPS) e dispositivi di illuminazione - è stato determinante per la scelta del partner per la protezione antideflagrante da parte del cliente. Poiché nei progetti di elettrolisi sono importanti anche la capacità e la rapidità di consegna, la costruzione di soluzioni personalizzate a partire da componenti standard è fondamentale. In caso contrario, si rende necessaria una certificazione Ex della soluzione, che richiede molto tempo. Poiché R. STAHL dispone di un'ampia gamma di apparecchiature e soluzioni certificate per l'uso in applicazioni a idrogeno, nulla impedisce di sviluppare ulteriormente soluzioni individuali per i futuri progetti di elettrolizzatori a idrogeno.
