Misura delle miscele di idrogeno e Gas Naturale e per uso in fuel cell

Nel prossimo futuro si profilano due applicativi principali con coinvolgono l'idrogeno e sono:

- Misura delle miscele di idrogeno e Gas Naturale
- Misura della purezza dell'idrogeno per uso in fuel cell e affini

L'idrogeno è considerato un elemento chiave nella strategia di decarbonizzazione dell'UE per raggiungere gli obiettivi proposti entro il 2050. In determinate condizioni, dovrebbe consentire di immagazzinare le energie rinnovabili intermittenti (sole e vento) per essere poi utilizzato come fonte di energia di "backup" oppure per applicazioni difficili da elettrificare (Hard To Abate).

Al momento attuale, non è chiaro come si evolverà il mercato/industria dell'idrogeno a breve/medio termine, poiché sono sul tavolo molte proposte per la produzione distribuita o centralizzata (miscelazione diretta con Gas Naturale nelle reti esistenti oppure creazione di Hydrogen Valley).

Entrambe hanno pro e contro, ma sicuramente c'è la necessità di aumentare di molto gli impianti di produzione elettrica rinnovabile, ed avere energia per la produzione di idrogeno da utilizzare in primis nei sistemi produttivi cosiddetti <> ovvero difficili da elettrificare con tecnologie tradizionali.

Un'altra possibilità è quella di "metanizzare" l'Idrogeno (8 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O). Il pro è che il metano non necessita evidentemente di modifiche infrastrutturali, il contro è che il 50% dell'H2 prodotto viene convertito in acqua.

Questa incertezza si riflette quindi al tipo di infrastruttura di trasporto/distribuzione necessaria. Si prevede che parallelamente all'evoluzione dell'economia dell'idrogeno, molti requisiti (di qualsiasi tipo) saranno più definiti rispetto a oggi.

L'industria europea del gas naturale si sta mobilitando per iniettare idrogeno nel sistema del gas naturale (blending), o per riconvertire una parte dell'infrastruttura in reti dedicate di idrogeno. A tal proposito, l'organizzazione MARCOGAZ ritiene che il supporto alla miscelazione di idrogeno con gas naturale (o biometano) consentirà di:

- Capitalizzare la produzione di idrogeno da energia rinnovabile in eccesso, che altrimenti andrebbe sprecata, dando un'uscita di mercato a questa produzione.

- Ridurre la congestione della rete elettrica e la limitazione dell'energia rinnovabile utilizzando l'eccesso di produzione di idrogeno.

- In caso di piccole eccedenze di idrogeno, evitare il trasporto a lunga distanza dello stesso utilizzando contenitori pressurizzati (rimorchi a tubo).

Impatto dell'idrogeno sui parametri di qualità del gas naturale

Energia

L'idrogeno ha un potere calorifico volumetrico superiore/lordo (PCS) di circa 1/3 rispetto al gas naturale medio. Per questo motivo, qualsiasi unità volumetrica di miscela idrogeno/gas naturale avrà un contenuto energetico minore dello stesso volume di gas naturale puro.

Lo stesso avviene con la densità relativa e il numero di metano. Come esempio, la Figura 1 mostra l'andamento dell'indice di Wobbe (WI) e del Potere Calorifico Superiore (PCS, definito in figura come High Heating Value, HHV) di miscelazione di diverse quantità di idrogeno (in base volumetrica) con un tipico gas naturale distribuito in Europa.

La figura 1 indica anche il WI/HHV dei gas di prova G20 e G222 come riferimento. L'area d'ombra corrisponde all'intervallo WI definito in EASEE-gas CBP [5], come riferimento. GN: Gas naturale / HHV = PCS

Combustione

Ci sono anche alcune proprietà di combustione dell'idrogeno che sono diverse da quelle del gas naturale e che dovrebbero essere prese in considerazione nell'utilizzo della miscela idrogeno/gas naturale. È importante menzionare quanto segue:

- Velocità di propagazione della fiamma: la velocità della fiamma dell'idrogeno è di un ordine di grandezza superiore rispetto a quella del gas naturale.

- Richiesta di aria per la combustione: l'idrogeno richiede molto meno aria rispetto al gas naturale.

- Temperatura di fiamma adiabatica a rapporto costante di eccesso d'aria: questa temperatura è più elevata per l'idrogeno al 100% e per la miscela di idrogeno e gas naturale (Figura 2) rispetto al gas naturale. Ciò potrebbe influire sulla produzione di NOx nei processi di combustione se non vengono adottate adeguate misure di mitigazione.

Purezza H2

Per la misura del grado di purezza dell'idrogeno si può utilizzare come riferimento la UNI ISO 14687:2020. Questa norma comincia con la classificazione dei gradi (<>) di purezza in base agli applicativi previsti nella tabella 1. Per le Fuel Cell PEM (Proton Exchange Membrane) dei veicoli stradali si fa riferimento al grade D.

Miscele H2 - Metano

Per la misura della composizione delle miscele di idrogeno e gas naturale e seguente calcolo del potere calorifico e dei parametri energetici si può utilizzare come riferimento la UNI 11885:2022 (Caratteristiche funzionali dei gascromatografi con rivelatore a termoconducibilità installati su rete di trasporto e distribuzione del gas). In tabella è riportata la lista dei gas che devono poter essere analizzati dal GC, con i rispettivi range.

In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'atto.