sabato 4 Febbraio 2023

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Il power-to-gas e il processo di conversione dell’idrogeno in metano

Il power-to-gas (P2G) è una tecnologia che consente di convertire l’energia elettrica in gas, principalmente idrogeno, attraverso l’elettrolisi dell’acqua. 

L’idrogeno prodotto dall’elettrolisi può essere utilizzato come carburante per veicoli a celle a combustibile o per la generazione di energia elettrica attraverso un processo di reattore di combustione o una pila di combustione.

Il power-to-gas è stato sviluppato come un modo per immagazzinare l’energia prodotta da fonti rinnovabili, come l’energia solare e eolica, che sono intermittenti e non sempre disponibili. L’idrogeno prodotto può essere immagazzinato e utilizzato quando l’energia è richiesta, in modo da garantire una fornitura di energia costante.

In paesi come la Germania e i Paesi Bassi, esiste un’infrastruttura atta al trasporto del gas naturale tramite tubazioni dal luogo in cui viene estratto o lavorato al luogo in cui viene usato, per il riscaldamento centralizzato delle case o per i fornelli in cucina.

Il power-to-gas è considerato una soluzione promettente per gestire l’eccesso di energia prodotta da fonti rinnovabili e per ridurre l’utilizzo di combustibili fossili. Tuttavia, l’implementazione del power-to-gas a grande scala è ancora limitata da alcune sfide di costo.

Il processo power-to-gas e la produzione di batteri

Numerose aziende tedesche stanno sviluppando tecnologie per produrre batteri in grado di “cibarsi” di idrogeno e anidride carbonica per espellere metano. 

Questa nuova applicazione può essere considerata come un processo power-to-gas naturale per accumulare elettricità in maniera ecologica e fornire una tecnologia per il trattamento dei gas di processo contenenti anidride carbonica (CO2). Per l’attuazione del processo, è necessario immettere il metano (CH4) nella rete di distribuzione del gas naturale che è già presente. 

Queste aziende hanno chiesto al distributore Bronkhorst di fornire gli strumenti per la misurazione della portata massica per fornire ai batteri quantità sufficienti di idrogeno e CO2.

I requisiti per l’applicazione

Uno dei principali obiettivi dei clienti nell’applicazione di processi power-to-gas è l’ottimizzazione dell’efficienza dei batteri nel convertire l’idrogeno in metano. Il processo viene prima testato su piccola scala, al fine di sviluppare la tipologia più adatta di batteri. 

I parametri di ottimizzazione per il processo sono il flusso di H2e CO2, il tipo di batteri, la temperatura e la pressione. A tal fine, è necessaria una soluzione per somministrare in modo accurato e riproducibile l’idrogeno (e l’anidride carbonica) nella provetta di reazione contenente i batteri.

La soluzione di processo

La soluzione Bronkhorst per l’approvvigionamento di idrogeno alla provetta di reazione è un regolatore di portata massica per gas IN-FLOW con una portata caratterista che va da 10 a 50 l/min di idrogeno. 

La provetta di reazione opera in condizioni anaerobiche a una temperatura di 65°C e a pressioni comprese tra 1 e 10 bar. 

La maggior parte dei tipi di batteri si sente più a proprio agio a pressione atmosferica, altri invece a pressioni più elevate. I batteri metabolizzano l’idrogeno e l’anidride carbonica convertendoli in metano. Il laboratorio in cui vengono condotti gli esperimenti è classificato come area pericolosa ATEX zona 2, quindi gli strumenti utilizzati necessitano di idonea autorizzazione.

Lo strumento Bronkhorst è controllato tramite Profibus. Viene impostato un setpoint e il valore effettivo viene misurato e registrato. I dati vengono registrati in modo che i valori dei test siano documentati. 

In genere, gli esperimenti hanno una durata di 48 ore e, in questo caso, l’automazione riveste un ruolo importante. Qualora si verifichi un errore, come un considerevole scostamento tra il setpoint e il valore reale, è necessario intraprendere determinate azioni, anche durante la notte. 

Il vantaggio dei regolatori di portata massica controllati elettricamente risiede nella possibilità, in caso di guasto o emergenza, di interrompere facilmente l’erogazione dell’idrogeno, senza intervento umano. 

Come parte del processo per determinare a quali condizioni i batteri metabolizzano il gas in maniera più efficace, è importante che i risultati dei test, e quindi dei regolatori di portata massica, siano riproducibili.

Sebbene lo schema del processo possa sembrare piuttosto semplice a causa dei due flussi di gas in entrata, della pressione mantenuta costante e del singolo flusso di gas in uscita, è comunque necessario un certo livello di lavorazione aggiuntiva a fine ciclo.

Il contenitore dei batteri, infatti, rilascia gas metano umido contenente, tra l’altro, HCl nell’ordine delle ppm che dovrà essere rimosso poiché in grado di danneggiare le condutture di trasporto. Inoltre, sarà necessario aggiungere il mercaptano per conferire al gas naturale il suo odore caratteristico, preparandolo per l’immissione nella rete di distribuzione del gas naturale.

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