Idrogeno e green Industry: le soluzioni di SICK lungo la catena di produzione

- PUBBLIREDAZIONALE - Il crescente interesse, in Europa e nel mondo, per l’idrogeno è determinato dal ruolo cruciale che questo vettore energetico può assumere nel raggiungimento degli obiettivi globali ed europei di decarbonizzazione, che prevedono la riduzione del 55% dei gas serra entro il 2030 e l’azzeramento delle emissioni nette al 2050, in quanto la sua combustione non genera emissioni di anidride carbonica. In questo percorso di carbon neutrality, grazie alla sua flessibilità, l'idrogeno può essere usato sia come materia prima combustibile che come vettore o accumulatore di energia e ha molte possibili applicazioni nei settori dell'industria, dei trasporti, dell'energia elettrica e dell'edilizia.

Il contributo dell’idrogeno alla green Industry

Attualmente, la quota più consistente dell'idrogeno prodotto è di origine fossile, il cosiddetto “idrogeno grigio”, che viene prodotto attraverso vari processi le cui materie prime sono combustibili fossili, in particolare il reforming del gas naturale o la gassificazione del carbone, mentre solo una piccola parte, “l’idrogeno verde o green”, viene ottenuto da fonti rinnovabili, attraverso l'elettrolisi dell'acqua in un elettrolizzatore alimentato ad energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili. Pertanto, un suo impiego al posto delle fonti fossili, in settori dell'economia come la mobilità, il riscaldamento domestico, alcuni processi industriali ad alta intensità di carbonio (hard to abate) quali gli impianti siderurgici, l’industria ceramica e del vetro, fortemente energivore, e gli impianti per la lavorazione delle materie prime, può dare un grande contributo alla riduzione dei gas serra (GHG) e del proprio impatto (carbon footprint), rafforzando ulteriormente la competitività globale di tali settori.

Inoltre, può offrire alternative per i comparti del sistema dei trasporti nei quali non è facile ridurre le emissioni, affiancando l'elettrificazione e altri carburanti rinnovabili e a basse emissioni di carbonio. L’idrogeno viene infatti utilizzato anche nella produzione della cosiddetta ammoniaca green (NH₃) che è una delle alternative ai combustibili fossili, insieme a metanolo, etanolo, ecc., alla quale si sta pensando anche per il trasporto navale, oltre al suo utilizzo per la produzione di fertilizzanti.

Una caratteristica interessante dell’idrogeno può essere rappresentata dalla possibilità di miscelarlo con la CO₂ per produrre carburanti sintetici che, come i normali carburanti fossili, sono ad alta densità energetica e adatti all’aviazione e alla navigazione marittima. Questi carburanti (https://www.sick.com/it/it/sick-sensor-blog/lidrogeno-e-alla-base-delle-numerose-analisi-di-gas-che-vengono-effettuate-per-la-produzione-di-ammoniaca/w/blog-hydrogen-gasanalysis-ammonia/) che, non contenendo atomi di carbonio non emettono CO₂ quando vengono bruciati, possono essere neutrali dal punto di vista climatico a patto che l’idrogeno utilizzato nel processo sia verde – proveniente da elettricità rinnovabile – e la CO₂ utilizzata sia estratta dai processi industriali esistenti o catturata dall’aria. Intuendo il potenziale della CO₂ come materia prima per l’industria, lo scorso ottobre, la Commissione europea ha annunciato di essere al lavoro su una strategia per la cattura e l’utilizzo del carbonio (CCUS) che sarà pubblicata entro la fine dell’anno.

In questo contesto, l’idrogeno grigio rappresenta un’alternativa temporanea nel processo di transizione verso la produzione di “idrogeno pulito”, perché ad esso andrebbe comunque associata la cattura della CO₂ prodotta, attraverso processi di carbon capture (https://www.sick.com/it/it/temi-e-know-how/ccus/w/ccus/).

Il trasporto dell’idrogeno: energia verde nelle reti gas

Con il progressivo aumento della domanda, è dunque urgente provvedere all'ottimizzazione della produzione, dell'uso e del trasporto d'idrogeno, che probabilmente richiederà trasporti di più ampio raggio per assicurare l'efficienza dell'intero sistema e la distribuzione agli utilizzatori finali. La miscelazione dell'idrogeno nella rete del gas naturale, al momento in percentuale limitata, può consentire la produzione decentrata di idrogeno rinnovabile nelle reti locali durante la fase di transizione. “In questo senso, nell’ambito di un quadro normativo in via di definizione, i maggiori operatori di trasporto energetico europei (Transmission System Operator, TSO) si stanno già muovendo al fine di studiare come meglio utilizzare la rete di trasporto gas esistente, presente in maniera capillare sul territorio, per trasportare nell’immediato idrogeno miscelato col metano e in futuro il gas puro.

In Italia, Snam Rete Gas ha condotto una serie di test finalizzati all’immissione in rete di una quota del 20% in una miscela "ibrida" assieme al gas naturale per verificarne la compatibilità anche sulle lunghe distanze”, spiega Alberto Pronzati, Sales Manager Process Automation di SICK, produttore globale di sensori e soluzioni dedicati all'automazione industriale e di processo. A fine marzo 2023, il Consiglio dell’EU  (https://www.consilium.europa.eu/it/press/press-releases/2023/03/28/gas-package-member-states-set-their-position-on-future-gas-and-hydrogen-market/) ha proposto un regolamento che consente la miscelazione dell'idrogeno nel sistema del gas naturale fino al 2% in volume, al fine di garantire una qualità del gas armonizzata e non compromettere il trattamento, lo stoccaggio e/o l’utilizzo del gas naturale.

L’obiettivo è consentire, al più presto, l’avvio dell’immissione dell’idrogeno nelle reti di trasporto e distribuzione di gas naturale, garantendo al contempo i massimi livelli di sicurezza per gli utilizzatori, la popolazione e l’ambiente, partendo dal 2% per arrivare ad un potenziale 10%, 30% nei prossimi 10-15 anni. Nella fase di transizione, la conversione della rete gas, detta anche repurposing, sopperirà alla mancanza di infrastrutture dedicate, riducendo in maniera importante le tempistiche e i costi di realizzazione, in linea con l’urgenza imposta dagli obiettivi di transizione energetica a medio e lungo termine.

Misurare il gas in modo stabile con la tecnologia a ultrasuoni

Da questo contesto, nasce l’esigenza dell’industria di misurare e controllare i processi di produzione dell’idrogeno green, negli impianti di elettrolizzazione. SICK è in grado di supportare i propri clienti, siano essi end user che produttori di impianti, sia nel monitoraggio della qualità dell’idrogeno, con strumenti in grado di rilevare la presenza di eventuali impurezze derivanti dal processo di produzione che, nella fase di trasporto, essendo l’idrogeno un vettore energetico, nella misura e contabilizzazione del gas, sia in portata che in energia. “L’azienda si sta muovendo in due direzioni, garantendo soluzioni già pronte all’uso per la misurazione dell’idrogeno in blending, sia in portata che in energia, nella fase di transizione, e in un prossimo futuro, dispositivi di misura di portata al 100% idrogeno certificati. Questo perché a livello europeo la normativa è in continua e rapida evoluzione e dovranno essere definiti dei protocolli di certificazione degli strumenti di misura, i cosiddetti MID, che sta per Measuring Instruments Directive, nome della direttiva 2014/32/UE (https://www.gazzettaufficiale.it/eli/id/2016/05/25/16G00093/sg), per tutelare il consumatore e il mercato, cioè gli effettivi fruitori delle misure effettuate con tali strumenti”, afferma Pronzati.

Per la misura del gas, sia concentrazione che in purezza, SICK infatti dispone di sistemi innovativi: tra questi, FLOWSIC600-XT (https://www.sick.com/it/it/misura-gas-tutti-i-plus-di-flowsic600-xt/w/blog-it-misura-gas/) è il nuovo misuratore di portata gas a ultrasuoni, progettato per affrontare le nuove sfide della transizione energetica, che prevedono la miscelazione dell’idrogeno nelle reti di trasporto e di distribuzione del gas naturale.

Grazie a questo dispositivo ultrasonico è possibile qualificare anche il grado di purezza dell'idrogeno e quindi certificare il gas in funzione del suo livello di purezza. I misuratori di portata di gas a ultrasuoni rivestono un ruolo importante nel processo di automazione e digitalizzazione delle reti gas. Consentono infatti di aumentare il livello di sicurezza per gli operatori, nonché l'efficienza, per un bilanciamento più preciso, oltre a ridurre i costi di manutenzione grazie alla possibilità di gestire gli impianti da remoto. Tali misuratori devono essere in grado, in qualsiasi condizione di installazione e in qualsiasi tratto della tubazione siano installati, di effettuare misure con lo stesso elevato grado di accuratezza.

“In relazione all’uso di idrogeno puro, per quanto riguarda l’industria pesante – precisa Pronzati – SICK può fornire dispositivi sia di misura che di controllo processo; per l’industria siderurgica, è in grado di fornire dispositivi per il controllo emissioni e per il controllo della miscela di idrogeno all'interno dei forni, elettrici o d’altoforno; per le vetrerie, le cementerie, l’industria della ceramica e, più in generale, per le industrie energivore dedicate alla produzione di beni di primario interesse, può disporre di sistemi per il monitoraggio e l'ottimizzazione dei processi, sia in termini di abbattimento delle emissioni che di iniezione dell'idrogeno, tramite la misura stessa del gas”.

Quello dell’idrogeno è un mercato che si sta muovendo molto rapidamente, in cui non si intravedono segnali di rallentamento. Sia in Europa che in Italia, sono previsti forti investimenti sull'idrogeno, finalizzati a studi di fattibilità e impianti pilota dedicati sia alla produzione, al trasporto che all'utilizzo dell’idrogeno. In tal senso, il PNRR, ad esempio, rappresenta sicuramente un valido aiuto.

Analisi delle emissioni gas più semplici e affidabili

“Per quanto riguarda l’analisi, ovvero per la misura della qualità dell’idrogeno all'interno di una rete di distribuzione piuttosto che di un impianto di produzione, i prodotti di punta di SICK appartengono alla famiglia degli analizzatori di gas estrattivi a freddo, GMS800 ed S700, in grado di misurare oltre 60 diversi componenti del gas.

Gli analizzatori delle famiglie S700 e GMS800 costituiscono la base per l’analisi personalizzata di gas di processo al fine del monitoraggio dei processi e delle emissioni durante la produzione di idrogeno e di combustibili sintetici a base di idrogeno, quali l’ammoniaca. Con S700 e con GMS800 è possibile misurare tutti i composti di gas rilevanti per questo processo, di volta in volta, con due, tre o persino sei diversi tipi di moduli di analisi.

SICK è in grado di fornire soluzioni ingegnerizzate, con le quale offre sia lo skid di misura che il sistema di analisi completo (shelter, cabina armadio, eccetera).

Per l’analisi delle emissioni di gas e per la misura della CO₂, è possibile utilizzare anche in questo caso la famiglia degli estrattivi a freddo GMS 800, oppure il sistema di analisi multicomponente MCS200HW (https://www.sick.com/it/it/soluzioni-di-analisi/soluzioni-cems/mcs200hw/c/g503352) per monitorare le emissioni”, dichiara Pronzati.

Il concetto dell’analizzatore multicomponente MCS200HW si basa su un fotometro a infrarossi a raggio singolo (NDIR) che utilizza sia metodi di interferenza che di correlazione con filtri di gas.

“MCS200HW estrae a caldo, spiega Pronzati. Tutti i componenti a contatto con le sostanze, dalla sonda di estrazione del gas alla cella di misura, sono riscaldati affinché i gas rimangano al di sopra del punto di rugiada e quindi protetti dalla corrosione. Una sonda lambda integrata misura inoltre l’ossigeno.

Il sistema è in grado di misurare contemporaneamente fino a dieci componenti di gas attivi agli infrarossi (HCl, SO₂, NO, NO₂, CO, CO₂, NH₃, N₂O, H₂O, CH₄), compresa la CO₂, oltre alla quantità di ossigeno (O₂) e di carbonio organico totale (TOC). In un'ottica di carbon capture, è dunque possibile supportare il cliente nella qualità della misura e nel controllo di processo”.

Il sistema è dotato di filtri di calibrazione interni che eseguono automaticamente il controllo di deriva in base ai requisiti QAL3. Non sono necessari gas di prova speciali e può essere configurato individualmente in base ai componenti del gas da misurare. Il risultato è una soluzione economica e affidabile che si adatta alle esigenze dell'utente.

Articolo di Patrizia Ricci per Watergas