Ottimizzazione delle stazioni di rifornimento di idrogeno con la tecnologia avanzata dei refrigeratori a idrogeno

L’aumento delle tecnologie dell’idrogeno, soprattutto nel settore della mobilità, necessita di una solida infrastruttura di rifornimento in grado di supportarne l’adozione diffusa. Man mano che le stazioni di idrogeno passano dai progetti pilota all’implementazione su larga scala in tutte le nazioni, la progettazione e le attrezzature di queste nuove stazioni devono evolversi. Devono essere in grado di operare in condizioni estreme e di gestire l’aumento della domanda e della frequenza di utilizzo. Questa evoluzione richiede un’ingegneria informata e soluzioni innovative per garantire affidabilità, efficienza e scalabilità nella fiorente economia dell’idrogeno.

L'importanza del controllo della temperatura nel rifornimento di idrogeno

L’obiettivo principale di un sistema di raffreddamento a idrogeno è quello di affrontare l’inevitabile aumento della temperatura che accompagna l’effetto Joule-Thomson, nonché la compressione del gas idrogeno. Questo fenomeno non è semplicemente un sottoprodotto; è un fattore critico che, se non gestito adeguatamente, può compromettere l'intera operazione di rifornimento.

Quando l’idrogeno viene compresso, subisce un aumento naturale della temperatura che può facilmente superare la soglia di sicurezza del serbatoio di stoccaggio del veicolo. Per contrastare questo problema, vengono utilizzati sistemi di raffreddamento all’avanguardia, progettati per ridurre in modo efficiente la temperatura dell’idrogeno entro un intervallo target, in genere compreso tra -33°C e -40°C secondo il protocollo T40. Questo livello di raffreddamento non è una semplice comodità; è un aspetto indispensabile del processo di rifornimento, poiché garantisce che la temperatura del combustibile a idrogeno non superi il limite superiore del serbatoio di stoccaggio di circa 85°C. Ciò è fondamentale non solo per il mantenimento dell’integrità strutturale del serbatoio, ma anche per facilitare un rapido processo di rifornimento, che dura circa 5 minuti.

In assenza di tali meccanismi di raffreddamento, non solo il processo di rifornimento sarebbe meno efficiente, ma introdurrebbe anche notevoli problemi di sicurezza. Temperature elevate durante l'erogazione potrebbero aumentare il rischio di degrado del carburante e aumentare la probabilità di incidenti di sicurezza legati al calore.

Altre sfide del raffreddamento a idrogeno

Oltre alle sfide fondamentali del controllo della temperatura, ci sono numerose altre considerazioni con cui i professionisti del settore devono confrontarsi. Questi includono:

• Efficienza termica: L’efficienza di un sistema di raffreddamento è fondamentale. Deve funzionare in modo coerente in condizioni ambientali variabili e adattarsi alle diverse esigenze dei veicoli con diverse capacità di stoccaggio.
• Integrazione del sistema: I sistemi di raffreddamento a idrogeno devono essere perfettamente integrati con gli altri componenti della stazione. Ciò richiede una comprensione sfaccettata del layout della stazione, della compatibilità dei componenti e del flusso ottimale di idrogeno.
• Consumo di energia: Il funzionamento di un sistema di raffreddamento è ad alta intensità energetica. Le innovazioni nella tecnologia dei refrigeratori che riducono il consumo energetico senza compromettere le prestazioni sono costantemente ricercate per migliorare l'efficienza complessiva della stazione.
• Manutenzione e affidabilità: I sistemi di raffreddamento ad alte prestazioni devono essere affidabili e di facile manutenzione. Ciò comporta l’uso di materiali robusti, sistemi di sicurezza e programmi di manutenzione predittiva per ridurre al minimo i tempi di inattività e garantire un servizio ininterrotto.
• Considerazioni ambientali: I sistemi di raffreddamento devono funzionare con un impatto ambientale minimo. Ciò include l’utilizzo di refrigeranti con un basso potenziale di riscaldamento globale e la progettazione di sistemi che impediscano eventuali perdite o emissioni.

Aspetti distintivi del raffreddamento dell'idrogeno nelle stazioni di rifornimento

È necessaria un'attenzione particolare quando si raffredda l'idrogeno nelle stazioni di rifornimento a causa del potenziale esplosivo intrinseco dell'idrogeno gassoso. La sicurezza è fondamentale, in particolare nell'area dell'erogatore dove il rischio di esplosione è maggiore. La scelta dei componenti per questa parte del sistema deve essere intrinsecamente sicura e progettata per funzionare perfettamente anche in ambienti potenzialmente pericolosi. A differenza dei componenti del sistema di refrigerazione che possono essere posizionati a una distanza più sicura – circa 20-40 metri dal distributore – quelli nelle immediate vicinanze dell’erogazione di idrogeno devono soddisfare rigorosi standard antideflagranti.

Anche il controllo del sistema di refrigerazione deve essere messo a punto con precisione per gestire rapidamente fluttuazioni sostanziali di potenza. Questa agilità nella risposta del sistema è fondamentale per mantenere la temperatura di uscita dell’idrogeno costantemente entro l’intervallo desiderato, indipendentemente dalla fluttuazione della domanda durante i periodi di punta del rifornimento.

Criteri per il dimensionamento dei sistemi di raffreddamento a idrogeno

Il dimensionamento dei sistemi di raffreddamento dipende da una serie di criteri chiave, ciascuno dei quali contribuisce alla configurazione finale del sistema:

• Requisiti di temperatura: La selezione della categoria di temperatura, come T40, T30, T20, o una temperatura di uscita dell'idrogeno personalizzata, determina la capacità di raffreddamento necessaria.
• Pressione di rifornimento: Il fatto che il sistema soddisfi pressioni di rifornimento H70 (700 bar) o H35 (350 bar) influisce sulla progettazione e sulle prestazioni del sistema.
• Portate: Le portate massime e medie del flusso massico di idrogeno in grammi al secondo durante il rifornimento informano la capacità del sistema di gestire richieste improvvise.
• Volume di idrogeno: Il volume totale di idrogeno richiesto per ora e per sessione di rifornimento determina la produttività del sistema.
• Conteggio erogatori: Il numero di erogatori influenza la distribuzione del carico di raffreddamento e la capacità complessiva del sistema.
• Ingresso scambiatore di calore: È necessario tenere conto delle temperature massime di ingresso dell'idrogeno nello scambiatore di calore per garantire un raffreddamento efficace.
• Fattori ambientali: Gli intervalli di temperatura ambiente e l'impatto ambientale del refrigerante, come le limitazioni GWP, vengono presi in considerazione per garantire conformità e sostenibilità.
• Dinamiche operative: La frequenza del rifornimento B2B e la disposizione fisica, inclusa la distanza tra il refrigeratore e l'erogatore, determinano la progettazione del sistema.
• Località di installazione: Il paese di installazione del sistema può imporre requisiti normativi o climatici specifici che influenzano le dimensioni e la complessità del sistema.

Tipi e raccomandazioni per i sistemi di refrigerazione a idrogeno

Tra i sistemi di raffreddamento, spiccano i sistemi di raffreddamento diretto e passivo, ciascuno con attributi e applicazioni unici:

• Sistemi di raffreddamento passivo: Questi sistemi sono caratterizzati da dimensioni più ridotte rispetto al raffreddamento diretto. Mantengono uno scambiatore di calore ad elevata massa termica a una bassa temperatura costante, in linea con protocolli di rifornimento come il T40. Ideali per le stazioni con rifornimenti B2B poco frequenti, hanno un limite di capacità attentamente calcolato in base alle richieste specifiche della stazione.
• Sistemi di raffreddamento diretto: Offrendo una capacità di raffreddamento immediata tramite uno scambiatore di calore a diffusione, i sistemi di raffreddamento diretto sono più adatti per scenari di rifornimento pesanti come autobus o camion con serbatoi di idrogeno più grandi. Lo scambiatore di calore compatto si inserisce perfettamente all'interno del dispenser e il sistema fornisce una capacità di raffreddamento sostenuta per periodi prolungati.

La scelta tra i sistemi dipende dalle dimensioni della stazione, dai modelli di rifornimento e dal numero di erogatori, con l’obiettivo di fornire un servizio di raffreddamento continuo e affidabile.

Il refrigeratore SCY fornisce la soluzione definitiva al raffreddamento a idrogeno

Di seguito sono riportati i modelli di refrigeratori esistenti:

Refrigeratore portatile raffreddato ad aria

Raffreddatore di glicole da 2 tonnellate: triplo ingresso/uscita, -30°C, design personalizzato

Refrigeratore portatile raffreddato ad aria

7 ton(-10°C) + 8,5 ton(20°C) 2 sistemi in un refrigeratore industriale raffreddato ad aria

Chiller a vite raffreddato ad acqua

Refrigeratore di glicole raffreddato ad acqua a bassa temperatura da 44 tonnellate

Chiller a vite raffreddato ad acqua

Refrigeratore industriale a bassa temperatura a vite raffreddato ad acqua da 35 tonnellate

Refrigeratore portatile raffreddato ad aria

Refrigeratore di glicole portatile raffreddato ad aria da 1,5 tonnellate

Conclusione

In conclusione, l’implementazione di sistemi avanzati di raffreddamento dell’idrogeno è fondamentale per il successo del funzionamento delle stazioni di rifornimento di idrogeno. Questi sistemi non solo garantiscono il rifornimento sicuro ed efficiente dei veicoli di prossima generazione, ma affrontano anche una moltitudine di sfide operative, dall’efficienza termica all’integrazione e alla sostenibilità ambientale. Con l’espansione del settore della mobilità a idrogeno, l’innovazione continua e l’implementazione strategica delle tecnologie di raffreddamento saranno fondamentali per alimentare un futuro più pulito ed efficiente dal punto di vista energetico.