Acqua di falda, il pioniere per un approvvigionamento energetico sostenibile e rispettoso del clima

Figura 3: Impianto di trattamento dell'acqua di reintegro EnviroFALK

Figura 4: Pulizia del ciclo EnviroFALK

Figura 1: Power-to-X (PtX)

Figura 2: Membrana elettrolitica polimerica - Elettrolisi

Christopher Lenz, Responsabile Sviluppo Commerciale, EnviroFALK

Energie Rinnovabili: Sfide e Opportunità

Il progressivo riscaldamento climatico richiede un cambiamento dai combustibili fossili esauribili alle energie pulite e rinnovabili provenienti da impianti idrici, solari, eolici e di biogas.

L'energia eolica e solare sono i principali vettori energetici della produzione di energia elettrica rinnovabile. Un grande problema del settore energetico futuro, a causa della fluttuazione delle energie rinnovabili, è lo stoccaggio. La rete elettrica non è in grado di immagazzinare energia in caso di carenza di domanda, il che porta alla necessità di disattivare gli impianti e di lavorare in modo inefficiente. Per lo stoccaggio a breve termine dell'energia chiamata "energia da fonte rinnovabile" vengono finora utilizzate centrali di pompaggio e batterie, ma queste non sono sufficienti a garantire l'approvvigionamento energetico a lungo termine.

Power-to-X (PtX): La tecnologia chiave per un miglior bilancio di CO2

"Power-to-X" è il termine generico per le tecnologie che consentono di trasformare e immagazzinare l'energia in eccesso proveniente da fonti rinnovabili, al fine di sostituire i combustibili fossili (Figura 1).

– Vettore energetico Gas - Power-to-Gas (PtG)
– Carburanti liquidi - Power-to-Liquid (PtL)
– Materie prime chimiche - Power-to-Chemicals (PtC)

Power to Gas (PtG)

Nel processo PtG, l'energia in eccesso proveniente da fonti rinnovabili viene utilizzata per produrre il cosiddetto "idrogeno verde", che come vettore energetico del futuro lascia come residuo solo acqua come prodotto di combustione.

Vengono utilizzati diversi tipi di sistemi di elettrolisi, chiamati "elettrolizzatori", che dividono l'acqua in idrogeno (H2) e ossigeno (O2) mediante corrente elettrica. In particolare, l'"Elettrolisi a membrana a elettrolita polimerico (PEM)" (Figura 2) svolge un ruolo importante grazie alla sua resistenza alle variazioni di carico causate dalla fluttuazione delle energie rinnovabili, alla sua alta efficienza e ai tempi di risposta rapidi.

Dopo l'elettrolisi, l'H2 viene compresso per poter essere immagazzinato e trasportato. Come vettore energetico, l'idrogeno verde trova impiego come carburante ecologico in veicoli a celle a combustibile e in industrie, oltre che in forma raffinata come materia prima nell'industria chimica e farmaceutica.

Per il trasporto e l'ulteriore utilizzo, l'idrogeno può essere immesso nelle reti di gas naturale esistenti, a condizione che siano rispettate determinate condizioni. Tuttavia, a causa della sua minore densità energetica, ciò è possibile solo in quantità limitate. Per immettere quantità maggiori, l'H2 viene convertito in metano (CH4) tramite metanizzazione e successivamente immesso nella rete di gas naturale, dove può essere utilizzato per riscaldamento e/o produzione di energia.

Inoltre, anche le auto e i camion a gas possono essere riforniti con idrogeno verde, consentendo un funzionamento quasi a impatto climatico zero.

Power-to-Liquid (PtL)

L'idrogeno verde viene inoltre utilizzato nella produzione di carburanti liquidi sintetici. Nella tecnologia PtL, l'energia in eccesso viene impiegata per produrre un gas sintetico formato da idrogeno e monossido di carbonio, da cui vengono realizzati carburanti sintetici liquidi (E-Fuels). Questa tecnologia permette di sostituire gradualmente benzina e diesel derivati dal petrolio. È possibile anche produrre carburanti sintetici per l'aviazione e il trasporto marittimo. Un grande vantaggio di questa tecnologia è l'utilizzo delle infrastrutture esistenti, come le stazioni di servizio e i sistemi di trasporto.

Poiché la produzione sintetica di E-Fuels dall'energia da fonti rinnovabili assorbe la stessa quantità di CO2 che rilascia durante la combustione, questi carburanti sono considerati a impatto climatico neutro.

Power-to-Chemicals (PtC)

Nella tecnologia PtC, basata sul processo PtG, si producono materie prime chimiche a partire da energia da fonti rinnovabili e dalla sintesi di idrogeno con CO2 e azoto, con l'obiettivo di sostituire i combustibili fossili come petrolio e gas naturale. Esempi sono le materie plastiche, i detergenti e gli additivi, di grande importanza in molti settori industriali.

Acqua pura: la risorsa indispensabile per le tecnologie PtX

L'acqua pura svolge un ruolo centrale in tutte le tecnologie PtX, in particolare nella produzione di idrogeno verde tramite elettrolisi. Questa acqua altamente pura è praticamente priva di impurità, come sostanze organiche, batteri, particelle e gas disciolti, e presenta una conduttività molto bassa, tipicamente di 0,055 µS/cm, rendendola ideale per processi sensibili come l'elettrolisi PEM. L'acqua pura viene ottenuta da diverse fonti di acqua di partenza, che possono variare notevolmente in qualità a seconda dell'origine. Questa diversità richiede un trattamento di acqua pura personalizzato per rimuovere tutti i minerali e i gas indesiderati che potrebbero disturbare i processi di elettrolisi.

Il ruolo dell'acqua pura nei processi PtX è fondamentale: senza la qualità corretta dell'acqua, possono formarsi depositi di sali sulle membrane e sugli elettrodi degli elettrolizzatori, compromettendo significativamente efficienza e durata. Per questo, il trattamento dell'acqua pura orientato al processo (Figura 3) non è solo un criterio essenziale, ma un fattore critico di successo per una produzione sostenibile di carburanti sintetici.

Dalla acqua grezza all'acqua pura

Durante la progettazione di un impianto di trattamento dell'acqua, l'integrazione senza soluzione di continuità nel sistema PtX è di fondamentale importanza. Ciò include, ad esempio, la pianificazione in funzione della posizione all'interno del sistema complessivo, il collegamento tramite interfacce di comunicazione specificate, componenti di impianto standardizzati e una documentazione coerente. È inoltre importante considerare i costi livellizzati dell'energia (LCOE) durante la progettazione di un impianto di trattamento dell'acqua, includendo non solo i costi di investimento, ma anche i costi operativi ricorrenti. Questi comprendono consumi energetici e di risorse, quantità di acque reflue, materiali di consumo e costi di servizio.

Il trattamento dell'acqua grezza per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi avviene in più fasi di processo, in una sequenza specifica adattata alla qualità dell'acqua locale nel dettaglio engineering. Vengono utilizzate diverse fasi di trattamento, come:

– Pre-filtrazione con filtri a ricircolo, filtri a ghiaia o ultrafiltrazione
– Rimozione della durezza di calcio e magnesio tramite scambiatori ionici (alternativa: dosaggio di antiscalant per stabilizzare la durezza)
– Rimozione/legame di CO2 tramite degasaggio a membrana o soluzione di soda caustica
– Desalinizzazione superiore al 98% tramite osmosi inversa (RO)
– Desalinizzazione totale tramite seconda fase di osmosi inversa o elettroionizzazione (EDI)
– Impianti di riciclo dell'acqua di processo per la desalinizzazione continua a < 0,1 µS/cm e filtrazione delle particelle sotto 1 µm
– Impianti di degasaggio per la rimozione residua di H2 e O2
– Sistema di pre-trattamento dell'acqua di processo con serbatoio di stoccaggio e sistemi di aumento della pressione
– Impianto di raffreddamento dell'acqua di processo (opzionale)

Qualità dell'acqua pura variabile in funzione del processo:

Il principale tratto distintivo degli impianti di trattamento dell'acqua pura EnviroFALK, specificamente progettati per applicazioni ad alta pressione e alta temperatura come l'elettrolisi PEM, è la pulizia a ciclo chiuso (Figura 4), che permette di riciclare l'acqua di processo "contaminata". Una tecnologia che contribuisce attivamente alla tutela ambientale e ottimizza l'efficienza dei costi nei processi industriali. I sistemi di ciclo sono progettati appositamente per trattare acqua di processo a pressioni di esercizio fino a 50 bar e temperature superiori a 65 °C. Grazie all'impiego di tecnologie all'avanguardia, concepite per il funzionamento continuo, si garantisce un trattamento affidabile ed economico dell'acqua.

Soluzioni di acqua pura ad alte prestazioni per la massima sicurezza e flessibilità del processo

In EnviroFALK, tutto ruota intorno a soluzioni per il trattamento dell'acqua in ospedali, laboratori e settori industriali selezionati. Inoltre, gli esperti sviluppano impianti di acqua pura che alimentano gli elettrolizzatori con acqua di altissima qualità. Ciò consente all'azienda di garantire una produzione affidabile ed efficiente di idrogeno.

La qualità e la disponibilità di acqua pura sono decisive per il processo PtX. Un'elevata disponibilità di servizio e tempi di riparazione ridotti (Mean Time To Recover - MTTR), così come un'alta affidabilità del sistema (Service Level Agreement - SLA), sono essenziali per gli impianti di trattamento dell'acqua. Per minimizzare i guasti operativi, sono necessarie misure come la ridondanza di componenti critici, una gestione ottimizzata dei pezzi di ricambio, l'uso di componenti affidabili e un monitoraggio accurato dei parametri di processo. Queste strategie consentono un'affidabilità del sistema superiore al 99%. EnviroFALK offre una vasta gamma di componenti di alta qualità per garantire la massima sicurezza del processo.

Gli impianti di trattamento dell'acqua di processo EnviroFALK si distinguono per la loro struttura modulare, che permette un'integrazione flessibile negli impianti esistenti. Questa modularità consente di disporre le diverse fasi di processo in modo personalizzato, in base alle esigenze spaziali e tecniche. Che siano affiancate, sovrapposte o in ambienti separati, i sistemi possono essere adattati ottimamente alle condizioni specifiche.

Impianti avanzati di acqua pura per l'energia verde

Negli ultimi anni, EnviroFALK, grazie alla stretta collaborazione con produttori di sistemi di elettrolisi di fama, ha sviluppato e fornito numerosi sistemi di trattamento dell'acqua pura orientati alle applicazioni PtX.

Dal 2012 ad oggi, sono stati realizzati più di 100 sistemi di trattamento dell'acqua pura in diversi concetti e livelli di potenza per vari progetti PtX. Questi sistemi contribuiscono oggi in modo significativo all'affermazione dell'idrogeno come vettore energetico sostenibile e, di conseguenza, alla produzione di energia rispettosa dell'ambiente e moderna.

Nel 2015, è stato inaugurato uno dei più grandi impianti di produzione di idrogeno regolabile al mondo, con una potenza elettrica di 6 MW, nel parco industriale di Mainz-Hechtsheim. Qui, tramite elettrolizzatori PEM di Siemens, si produce quotidianamente fino a 1.000 Nm³ di idrogeno verde da energia eolica in eccesso. L'idrogeno prodotto viene immagazzinato localmente e successivamente inviato a diverse applicazioni, come il trasporto, l'industria e la rete di gas naturale. La materia prima "acqua" viene fornita da un impianto di acqua pura da 1.000 l/h e depurata da particelle fini e sali disciolti tramite un sistema di ricircolo dell'acqua di processo da 4.200 l/h.

Nel 2023, Air Liquide, in collaborazione con Siemens Energy, ha realizzato a Oberhausen il progetto "Trailblazer" – un elettrolizzatore PEM da 20 MW per la produzione di idrogeno verde. Il Trailblazer fornisce, tramite una rete di idrogeno esistente, energia a settori chiave come l'acciaio, la chimica, le raffinerie e il trasporto, con 2.900 tonnellate di idrogeno verde all'anno e ossigeno. EnviroFALK ha fornito un sistema di ciclo con una capacità di 30.000 l/h. L'impianto modulare, assemblato in fabbrica a Leverkusen, è stato consegnato pronto per il collegamento e installato rapidamente sul sito, entrando in funzione in breve tempo.

Altri esempi di successo convincenti:

– Windgas Kassel GmbH (progetto PtG)
Potenza elettrica 1,25 MW da energia eolica, produzione di idrogeno circa 200 Nm³/h, impianto di acqua pura 300 l/h, ricircolo dell'acqua di processo 600 l/h

– Salzgitter Flachstahl (progetto PtG)
Potenza elettrica 2,2 MW da energia eolica, produzione di idrogeno circa 400 Nm³/h, impianto di acqua pura 900 l/h, ricircolo dell'acqua di processo 4.200 l/h

– Ludwigshafen (progetto PtC)
Potenza elettrica 54 MW, produzione di idrogeno 8.000 t/anno, impianto di acqua pura 10.500 l/h, ricircolo dell'acqua di processo 150.000 l/h

Progetti PtX per un'Europa a emissioni zero

La pianificazione di progetti PtX innovativi rappresenta un passo fondamentale verso un'Europa a emissioni zero entro il 2050. Questi progetti contribuiscono a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e a diversificare l'approvvigionamento energetico. La prima mappa globale PtX, realizzata dall'Istituto Fraunhofer per l'economia energetica e la tecnologia dei sistemi energetici, evidenzia il grande potenziale, soprattutto nelle regioni ricche di fonti di energia rinnovabile. Tali progetti possono non solo trasformare l'Europa, ma anche l'infrastruttura energetica globale, creando una situazione vantaggiosa sia per l'ambiente che per l'economia.

EnviroFALK si è preparata a supportare progetti PtX con impianti di acqua pura all'avanguardia, contribuendo così a promuovere ulteriormente la neutralità climatica.

Vita di Christopher Lenz:

Christopher Lenz, nato nel 1994 a Limburg an der Lahn, ha mostrato fin da giovane un forte interesse per la sostenibilità e l'efficienza energetica. Ha conseguito la laurea in ingegneria energetica nel 2019, specializzandosi nella tecnologia dell'idrogeno per un impianto di produzione di grandi dimensioni in collaborazione con Trianel GmbH. Ha completato il master in Energie Rinnovabili nel 2021 con una tesi su un'analisi multicriterio per l'economia dell'idrogeno, che ha esaminato aspetti economici, ecologici e tecnici. Entrambe le tesi riflettono il suo profondo interesse per la tecnologia dell'idrogeno. Come project manager presso Trianel GmbH, ha contribuito significativamente a progetti sull'idrogeno. Dal 2023, Christopher Lenz ricopre il ruolo di Business Development Manager presso EnviroFALK, responsabile del settore impianti di acqua pura per progetti PtX.