Produzione di acqua ultrapura per l'acqua di alimentazione dell'elettrolizzatore per l'idrogeno verde

Acqua ultrapura (UPW) per idrogeno verde

Un chilogrammo di idrogeno contiene 33 kWh di energia utilizzabile, circa tre volte l'energia contenuta in un chilogrammo di benzina e gasolio. Pertanto, viene utilizzato per un'ampia gamma di applicazioni che vanno dalla produzione di energia e stoccaggio di energia alle celle a combustibile per i trasporti. Fa anche parte di processi industriali critici come il processo Haber-Bosch per la produzione di ammoniaca.

Applicazioni dell'idrogeno

Figura 1 - L'ampia gamma di applicazioni dell'idrogeno

L'idrogeno può essere sintetizzato attraverso un'ampia gamma di processi utilizzando un idrocarburo, acqua o entrambi come base per la sua produzione. Nel caso dell'idrogeno verde, l'elettrolisi dell'acqua, alimentata da energia rinnovabile, viene utilizzata per produrre questo gas essenziale secondo la seguente equazione:

L'idrogeno viene prodotto da acqua ultrapura con un rapporto di 9:1, ovvero sono necessari nove chilogrammi di acqua ultrapura per produrre un chilogrammo di idrogeno. Quando si tiene conto della catena di trattamento dell'acqua, il rapporto tra consumo di acqua di alimentazione e produzione di idrogeno può variare tra 15:1 e 30:1 circa a seconda della fonte di alimentazione.

Figura 2 - Acqua necessaria per produrre un chilogrammo di idrogeno a seconda della fonte di alimentazione

Per garantire la massima efficienza e proteggere gli elettrolizzatori altamente sensibili, la qualità dell'acqua di alimentazione deve soddisfare i più elevati standard qualitativi. Per soddisfare questi requisiti, è generalmente garantito un sistema di demineralizzazione completo caratterizzato in particolare da osmosi inversa a doppio passaggio ed elettrodeionizzazione.

Poiché l'acqua viene ricircolata continuamente all'interno dell'unità elettrolizzatore, eventuali impurità che passano attraverso il sistema di demineralizzazione o contaminazione proveniente dall'apparecchiatura dell'unità elettrolizzatore possono accumularsi rapidamente a livelli importanti. Per impedire l'accumulo di contaminanti all'interno del circuito dell'elettrolizzatore, è possibile applicare un lucidatore Point-Of-Use per trattare una frazione o la totalità dell'acqua ricircolata.

Figura 3 - Ripartizione dei prezzi di CAPEX e OPEX per gli impianti di idrogeno verde

Mentre il sistema di trattamento dell'acqua rappresenta generalmente l'1-5% delle spese in conto capitale totali dell'impianto, gli stack dell'elettrolizzatore rappresentano 50-60% del totale. È ancora più importante avere un sistema adeguatamente progettato a monte e per il circuito dell'elettrolizzatore per proteggere gli stack e aumentarne la durata.

Inoltre, i costi dell'elettricità rappresentano solitamente il 60-80% di tutte le spese operative e sono uno dei principali fattori di costo per l'esistenza di un impianto. Un'unità di trattamento adeguata è di nuovo fondamentale per garantire che non si accumulino impurità sulla superficie dell'elettrolizzatore che porterebbero a un maggiore consumo di elettricità.

Produzione UPW  ~ 2-5 kWh/m³     Elettrolisi UPW  ~ 5000 kWh/m³

Figura 4 - Elettricità approssimativa richiesta per m³ per la produzione UPW e l'elettrolisi UPW

Sebbene marginale sia in termini di CAPEX che di OPEX a livello di impianto, un sistema di trattamento dell'acqua inefficace o non ottimale può tuttavia portare a gravi conseguenze:

• Danni alla pila dell'elettrolizzatore
• Aumento dei tempi di fermo dovuti a fermate di manutenzione più frequenti
• Aumento dei costi di proprietà dovuti a un maggiore consumo di elettricità e acqua