Tecnologia dell'Idrogeno negli Edifici e nell'Industria - Elettrolisi

 

 

 

 

 

 

Cos'è l'elettrolisi?

L'elettrolisi è semplicemente un processo in cui la corrente elettrica diretta viene utilizzata per dissociare una molecola d'acqua nei suoi componenti: ossigeno e idrogeno. Quando si utilizza elettricità rinnovabile (solare, eolica, ecc.), viene considerato un idrogeno 100% rinnovabile H2 pulito. È una soluzione modulare e scalabile. Il processo di produzione dell'idrogeno non comporta combustione né emissioni di gas.

Elettrolisi con membrane PEM (Membrana a Scambio Protonico) - Vantaggi

• Alta densità di corrente
• Alta efficienza
• Buona efficienza sotto carico parziale
• Risposta rapida del sistema
• Compatto
• Alta purezza del gas
• Manutenzione facile
• Nessuna sostanza pericolosa

Dimensione di un Elettrolizzatore da 1MW

Tecnologia - Elettrolisi PEM - Diagramma di Processo

• Installazione elettrica generale: per alimentare tutti gli strumenti e le attrezzature, include un alimentatore senza interruzioni (UPS) per fornire energia in caso di blackout.
• Sistema di controllo: Controllore PLC completamente automatizzato per monitorare e controllare l'elettrolizzatore, garantendo il corretto funzionamento dell'intero processo.
• Raddrizzatore (convertitore AC/DC): L'elettricità necessaria, che può provenire da fonti rinnovabili, viene regolata prima di alimentare lo stack.
• Stack: Elettricità e acqua entrano nel sistema, dividendo l'acqua in molecole di idrogeno e ossigeno.
• Separatore di ossigeno: L'ossigeno prodotto è un flusso bifasico (O2 + H2O) dove ossigeno gassoso, vapore, tracce di idrogeno e grandi quantità di acqua liquida coesistono. Questo dispositivo recupera l'acqua liquida e rilascia ossigeno nell'atmosfera. L'acqua recuperata viene ricircolata nello stack in un ciclo chiuso (minimizzando il consumo d'acqua).
• Pompe: L'elettrolizzatore contiene due pompe, una per supportare l'acqua deionizzata fornita allo stack e l'altra per bilanciare con resine di deionizzazione.
• Sistema di raffreddamento del gas (chiller): Per raffreddare il flusso di idrogeno, migliorando l'efficienza complessiva del sistema.
• Separatore di idrogeno: L'idrogeno prodotto è anch'esso un flusso bifasico (H2 + H2O), dove vapore acqueo, idrogeno e tracce di ossigeno (in fase gassosa) e acqua liquida coesistono. Per la purezza dell'idrogeno richiesta in ulteriori applicazioni, questo dispositivo separa l'acqua dall'idrogeno.
• Impianto di trattamento dell'acqua (WTP): Converte l'acqua ordinaria in acqua pura, necessaria quando l'acqua deionizzata (conduttività <0,1 µS/cm, TOC <30 ppb) non è disponibile.
• Sistema di purificazione: Installato all'uscita del separatore di idrogeno, composto da un essiccatore (per trattenere l'umidità) e un deoxo (un ricombinatore catalitico per raccogliere ossigeno) in linea con l'uscita del catodo dallo stack - utilizzato quando è richiesta una purezza dell'idrogeno superiore al 99,9%.

Ci sono quattro aspetti tecnologici dello sviluppo degli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno

• Tecnologia dello stack (impilamento o membrane impilate in cui avviene l'elettrolisi) - Investimento e accordo tecnologico con Giner ELX.
• Bilanciamento dell'impianto (BoP) - Basato sui requisiti dello stack, Eco-Prius progetta e sviluppa dispositivi e sistemi ausiliari che consentono allo stack di funzionare, ottimizzando l'efficienza complessiva del sistema.
• Tecnologia di integrazione (dello stack con il BoP, dell'elettrolizzatore con altri componenti dell'impianto, come stoccaggio e compressione, e dell'impianto con dispositivi che utilizzano energia rinnovabile).
• Competenza relativa a O&M

Elettrolizzatori su Piccola Scala

• I piccoli elettrolizzatori possono produrre idrogeno da 0,5 a 5 Nm3/h.
• Sono ottimali per piccoli consumatori: laboratori, edifici residenziali, piccole flotte, ecc.
• Questi sistemi sono semplicemente integrati in un armadio.
• Gli elettrolizzatori sono certificati e sviluppati secondo codici e standard europei o americani (a seconda della posizione del cliente).
• Eco-Prius fornisce elettrolizzatori con marcatura CE e, se necessario, timbro ETL (prezzato separatamente), oltre a studi di sicurezza richiesti (di default HAZOP).

Capacità di Produzione degli Elettrolizzatori su Piccola Scala:

• 0.5N - 0,50 Nm3 H2/h - 1,08 kg H2/giorno
• 1N - 1,0 Nm3 H2/h - 2,15 kg H2/giorno
• 2N - 2,0 Nm3 H2/h - 4,31 kg H2/giorno
• 3N - 3,0 Nm3 H2/h - 6,41 kg H2/giorno
• 5N - 5,20 Nm3 H2/h - 11,22 kg H2/giorno

Elettrolizzatori su Media Scala

• Gli elettrolizzatori su media scala possono fornire idrogeno da 10 a 105 Nm3/h
• Questi sistemi sono integrati in un container

Capacità di Produzione degli Elettrolizzatori su Media Scala:

• 10N - 10,5 Nm3 H2/h - 21,68 kg H2/giorno
• 30N - 31,70 Nm3 H2/h - 68,40 kg H2/giorno
• 60N - 63,30 Nm3 H2/h - 136,58 kg H2/giorno
• 100N - 105,50 Nm3 H2/h - 227,60 kg H2/giorno

Elettrolizzatori su Grande Scala

• Gli elettrolizzatori più grandi possono fornire idrogeno da 200 a 400 Nm3/h.
• Questi sistemi sono integrati in un container da 40 piedi.

Capacità di Produzione degli Elettrolizzatori su Grande Scala:

• 200N - 207 Nm3 H2/h - 446 kg H2/giorno
• 400N - 414 Nm3 H2/h - 893 kg H2/giorno

Stazioni di Rifornimento di Idrogeno Portatili

• Container da 20 - 40 piedi
• Produzione in loco
• 520 Nm3/h
• 248 auto/giorno (espandibile)
• H35 (350 bar) e H70T40 (700 bar)
• Veicoli leggeri e pesanti

Stazioni di Rifornimento di Idrogeno Stazionarie

• Dimensioni su richiesta
• Completamente automatizzate e integrate con la stazione di rifornimento
• 200 kg/giorno: 10 autobus
• 1000 kg/giorno: 8 trattori a lungo raggio

Impianto di Produzione di Idrogeno H2 - Concetto Modulare per i Mercati

• 10s - 100 MW
• Impianto di trattamento dell'acqua di alimentazione
• Idrogeno ultra-puro
• Fornitura a 40 bar
• Completamente automatizzato

Celle a Combustibile

Siamo convinti che l'idrogeno sarà la base del futuro sistema energetico globale. La crescita dell'energia rinnovabile fornisce un'abbondanza di idrogeno in eccesso, rendendolo una commodity ampiamente disponibile in futuro.

C'è una crescente domanda per elettrificare tale idrogeno verde sia in applicazioni stazionarie che mobili. Man mano che l'economia dell'idrogeno matura, emergerà un mercato per soluzioni affidabili e durevoli.

L'idrogeno rafforzerà la transizione energetica, e siamo fortemente impegnati a lavorare con un produttore di celle a combustibile che investe nello sviluppo e nell'industrializzazione della tecnologia e dei prodotti PEM.

Celle a Combustibile PEM

Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico o PEM sono considerate il tipo di cella a combustibile più versatile attualmente prodotto. Generano la maggior parte della potenza per la massa o il volume dato della cella a combustibile. Poiché sono leggere, hanno un'elevata densità di potenza e la capacità di avviarsi a freddo, si qualificano per molte applicazioni, come la cogenerazione stazionaria di calore ed energia, il trasporto, l'energia portatile e persino applicazioni spaziali. Il produttore PEM è un fornitore di stack per integratori che mirano a creare applicazioni ad alta potenza basate su progetti e soddisfacendo elevati requisiti di longevità e prestazioni.

Edifici e Ambiente Costruito

L'offerta di energia rinnovabile e la domanda di calore ed energia nell'ambiente costruito non sono bilanciate. Mentre il sole splende più forte a mezzogiorno, consumiamo principalmente calore ed energia durante i picchi mattutini e serali. L'idrogeno è il buffer definitivo per bilanciare tali asimmetrie nel nostro sistema energetico, e sappiamo come farlo al meglio e nella giusta scala. Il nostro team per le applicazioni nell'ambiente costruito è ben addestrato per aiutarti a definire la migliore soluzione District PEM-CHP per le tue esigenze.

Le nostre soluzioni CHP sono fondamentali per fornire distretti senza emissioni

Capacità dell'Impianto CHP PEM Locale

Abbiamo sviluppato un concetto di impianto PEM-CHP versatile e completo per l'ambiente costruito, consentendo l'allineamento dei set di sistemi energetici. Le possibilità di applicazione sono ampie e includono:

• Aree residenziali con reti di riscaldamento
• Parchi vacanze
• Hotel e centri congressi
• Campus universitari
• Parchi industriali
• Condomini
• Ospedali
• Centri commerciali
• Altri edifici e distretti che richiedono calore ed energia

Cortile Energetico H2

Utilizza l'idrogeno come meccanismo di bilanciamento tra l'offerta di calore ed energia verde e la domanda di calore ed energia a livello distrettuale.
Abbiamo urgentemente bisogno di nuovi modi per riscaldare e alimentare i nostri ambienti costruiti, e soprattutto, abbiamo bisogno di modi più intelligenti. Nella ricerca di tali soluzioni, dobbiamo aprirci al contesto più ampio della transizione energetica. Abbiamo bisogno di una struttura che integri le monodiscipline di elettricità, calore e gas in un concetto olistico che ottimizzi il nostro sistema energetico e tenga conto di tutti i flussi e le trasformazioni create da questi quadri olistici.
Abbiamo costruito il nostro framework e lo abbiamo etichettato come il cortile energetico H2, una soluzione CHP locale che integra la funzione di produzione di idrogeno, il buffering di idrogeno e calore, la conversione dell'idrogeno in CHP e un booster a pompa di calore. Il concetto di Cortile Energetico H2 riguarda l'uso corretto del power-to-power. Invece di ottimizzare solo la potenza elettrica in una configurazione power-to-power, raccogliamo e mobilitiamo il calore in tutte le fasi appropriate e consentiamo flessibilità tra la missione di massima efficienza elettrica, massima utilizzazione del calore e l'interazione tra di essi.

La nostra proposta:

• Idrogeno non come vettore energetico monopolizzato, ma solo come buffer che bilancia offerta e domanda
• Stoccaggio e distribuzione dell'idrogeno limitati al Cortile Energetico H2 (nessun H2 negli edifici), consentendo un concetto di sicurezza centralizzato e un facile controllo e manutenzione
• Strategia a doppio buffer (calore e idrogeno) per raggiungere la massima efficienza dell'intera installazione
• Installazioni interne (scambiatore di calore e connessione elettrica bidirezionale standard) sono piccole, semplici e ampiamente disponibili
• Distribuzione di calore ed energia dalla rete tramite reti standard
• Energia e calore senza emissioni (anche senza emissioni di NOx);

Supporto al Progetto H2 e Conformità alle Direttive

Il nostro team di supporto al progetto aderisce alle direttive, agli standard e ai regolamenti pertinenti. Sebbene gli standard UE (specificamente IEC 62282-3) e le direttive UE pertinenti (specificamente 2006/42/CE, 2006/95/CE) forniscano una solida base di conformità, nel contesto dell'ambiente costruito, questo conta sempre.
Ti supportiamo durante tutto il processo di ottenimento dei permessi necessari, conducendo valutazioni di sicurezza (HAZID), discussioni con i burocrati e ulteriore pianificazione di sicurezza e conformità.
Il nostro pacchetto di servizi di progetto per l'ambiente costruito è sempre personalizzato e include un insieme di servizi di ingegneria necessari per garantire il successo del tuo progetto.

I nostri servizi includono

• Valutazioni di fattibilità degli impianti a idrogeno
• Modellazione di bilanci di massa, energia e calore
• Studi di dimensionamento dell'installazione e raccomandazioni per soluzioni di connessione
• Modellazione termodinamica
• Partecipazione a studi di sicurezza;
• Misure in loco
  

Applicazione dell'Idrogeno negli Edifici Multifamiliari

Valori Chiave delle Celle a Combustibile PEM

• Zero emissioni di particelle e NOx;
• Zero emissioni di CO e CO2 durante il funzionamento - idrogeno pulito;
• Lunga durata (> 20.000 ore) fino alla revisione;
• Alta densità di potenza;
• Bassa temperatura, quindi funzionamento versatile;
• Tecnologia collaudata con vasta esperienza in molte applicazioni diverse;
• Tipo di cella a combustibile più adatto per reti termiche di quarta generazione;
• Vincitore in termini di CAPEX.

Celle a Combustibile a Cascata

Potenza delle Celle a Combustibile

7-XXL STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE PEM

10-XXL STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE PEM

13-XXL STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE PEM

Grandi Impianti PEM

PEM GEN CHP-FCP-1000 è un sistema di celle a combustibile PEM progettato per applicazioni industriali, scopi Power-2-Power per fattorie solari ed eoliche, e applicazioni di cogenerazione nell'ambiente costruito. Il CHP-FCP-1000 è ottimizzato per l'integrazione senza soluzione di continuità con reti elettriche locali o collettive attraverso la capacità di utilizzare tutti i tipi di elettronica di potenza commerciale pronta all'uso. L'offerta di sistemi di celle a combustibile PemGen è disponibile in configurazioni personalizzate.

Storico CHP PEM

Tipi di Celle a Combustibile (Vincitore PEMFC)

Principio di Funzionamento delle Celle a Combustibile a Membrana a Scambio Protonico

In una cella a combustibile PEM, idrogeno e ossigeno reagiscono in modo elettrochimico, producendo elettricità, acqua pura e calore. La struttura di una singola cella a combustibile è spiegata di seguito:

Struttura della Cella a Combustibile

Gli strati blu scuro sottili rappresentano gli strati di diffusione del gas (GDL). Gli strati grigi sono elettrodi fatti di carbonio conduttivo e ionomero, che portano il catalizzatore, platino. Tra questi strati, mostrato in blu chiaro, c'è l'elettrolita conduttore di protoni, noto come membrana a scambio protonico (PEM).

Principio di Funzionamento PEM

La membrana PEM è uno strato sottile fatto di PFSA (Acido Perfluorosulfonico). L'ionomero negli elettrodi è anch'esso costituito da PFSA. Il PFSA ha una struttura portante in polimero PTFE con catene laterali attaccate all'acido solfonico (SO3H). La membrana permette ai protoni di passare ma è impermeabile agli elettroni. La membrana deve essere satura d'acqua per agire come trasportatore di protoni. La combinazione di acqua e acido solfonico permette agli ioni H+ di passare attraverso la membrana, quindi l'idratazione della membrana è essenziale. La membrana è anche leggermente permeabile a gas come idrogeno, ossigeno e azoto. Durante il funzionamento, il principale componente dell'aria che diffonde dal catodo (lato ossigeno) all'anodo (lato idrogeno) è l'azoto, poiché l'ossigeno reagirà con i protoni.

Gli strati combinati di membrana, elettrodi e diffusione del gas (GDL) formano l'assemblaggio dell'elettrodo a membrana (MEA). Quando idrogeno e ossigeno dall'aria sono presenti, si crea una differenza di potenziale di circa 1V (massimo 1,23V) sulla membrana. La differenza di potenziale è inferiore quando la corrente scorre attraverso la membrana. Per una corrente della cella a combustibile di 120A, comunemente usata negli impianti PEM, la tensione scende a 0,7V all'inizio della vita utile (BOL). Questo corrisponde a un'efficienza di conversione energetica dell'idrogeno in energia elettrica del 56%. Nota: è stato usato il valore calorifico inferiore (LHV) dell'idrogeno per questo numero. Il restante 44% dell'energia dell'idrogeno viene portato via dall'acqua di raffreddamento. L'energia termica dell'acqua calda può essere utilizzata per scopi utili. Durante la vita utile della cella a combustibile, l'efficienza elettrica diminuirà e l'efficienza termica aumenterà per mantenere un'efficienza complessiva costantemente alta del sistema combinato.

• La reazione totale 2 H2 + O2 → 2 H2O è divisa nelle principali reazioni:
• All'anodo (lato idrogeno): 2 H2 → 4 H+ + 4 e¬-
• Al catodo (lato aria): O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O

Dalla Cella allo Stack

In uno stack di celle a combustibile, le celle a combustibile sono collegate in serie per ottenere una tensione utile e formano uno stack. Tali stack PEM sono i mattoni di sistemi di celle a combustibile più grandi.

Concetto di Stack: Lo stack è composto da celle connesse in serie

Curva IV

Il grafico qui sotto mostra il cambiamento di tensione con la corrente per uno stack PEM tipico. Una cella a combustibile segue sempre il carico applicato. Per seguire questo carico, devono essere presenti idrogeno e ossigeno sufficienti. Se mancano i reagenti, la cella a combustibile consuma materiali degli elettrodi come il carbonio e si danneggia. Pertanto, la disponibilità di idrogeno e aria deve essere garantita prima che venga applicato il carico. Il monitoraggio della tensione della cella è installato per prevenire danni quando le impostazioni di carico sono troppo alte. Un gruppo di stack si spegnerà automaticamente quando la tensione della cella in qualsiasi stack di quel gruppo scende sotto la soglia T.

Recupero del Calore e Produzione di Acqua

Gli stack di celle a combustibile PEM prodotti nell'UE operano a temperature di circa 65°C. Il calore in eccesso generato durante la produzione di energia viene trasferito dal refrigerante. Questo è acqua pura con una conduttività elettrica inferiore a 5 µS/cm. L'acqua deve mantenere una bassa conduttività per prevenire correnti di cortocircuito tra le singole celle. L'acqua deionizzata trasferisce efficacemente il calore generato.

La reazione al catodo O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O genera acqua sul lato della cella a combustibile dove è presente l'aria. L'ossigeno reagisce al catodo, mentre l'azoto agisce in modo inerte, impedendo un facile accesso dell'ossigeno al catalizzatore. L'acqua generata nella reazione tende a formare goccioline, ostacolando il flusso d'aria al catodo. Per una corrente dello stack di 120A, cioè, il flusso d'aria deve contenere il doppio dell'ossigeno rispetto alla quantità consumata. L'acqua prodotta viene raccolta usando un condensatore. Quest'acqua pura è disponibile per umidificare idrogeno e aria o può essere utilizzata per altri scopi o scaricata quando non ci sono scopi utili disponibili.

La reazione all'anodo 2 H2 → 4 H+ + 4 e- è semplice e attira idrogeno alle celle a combustibile. Prima di entrare negli stack, l'idrogeno viene umidificato. Alle uscite dei camini, la concentrazione di vapore acqueo è più alta rispetto all'ingresso a causa del consumo di idrogeno all'interno dei camini. L'aumentata concentrazione d'acqua causa la formazione di goccioline. È richiesto un eccesso di idrogeno rispetto alla stechiometria per rimuovere queste goccioline. Il produttore PEM utilizza un eccesso minimo del 25%. L'idrogeno in eccesso viene ricircolato.

Impianto di Energia a Idrogeno - Diagramma di Flusso del Processo

Impianto di Energia a Idrogeno - Componenti del Sistema

Principali Vantaggi degli Impianti di Energia a Idrogeno - Impianto di Energia a Idrogeno H2:

• Offre una soluzione all'asimmetria tra produzione rinnovabile e domanda.
• Non è un monopolio sulla fornitura di calore, raffreddamento ed elettricità, ma integra soluzioni come le pompe di calore.
• Consente una fornitura di energia a zero emissioni.
• Si concentra su calore, raffreddamento ed elettricità.
• Supporta progetti come pannelli solari, energia eolica ed elettrificazione dell'ambiente costruito.
• Offre supporto per le reti elettriche.

Il Ruolo dell'Idrogeno

Backup Energetico - Tempo

1. Giorni - Energia dell'idrogeno immagazzinata
2. Ore - Batterie, energia dell'idrogeno immagazzinata, supercondensatori ad alta energia, stoccaggio idroelettrico a pompaggio, stoccaggio di energia ad aria compressa CAES
3. Minuti - Energia cinetica da ruote rotanti a lunga distanza, batterie, sale fuso, energia ad aria compressa immagazzinata CAES
4. Secondi - Supercondensatori ad alta potenza, energia cinetica da ruote rotanti ad alta potenza, supercondensatori ad alta potenza, stoccaggio di energia magnetica superconduttiva SMES