Skid di misura per decarbonizzare le centrali elettriche a gas
La trasformazione energetica ha reso la disponibilità di H2 una tematica urgente quando si parla di centrali elettriche a gas. Quando l’idrogeno viene bruciato insieme al gas, riduce le emissioni di CO2 della centrale. Endress+Hauser ha sviluppato un sistema avanzato di analisi e misurazione che controlla automaticamente e con precisione la miscela e la convalida in linea. L’esperienza iniziale negli Stati Uniti dimostra che il sistema offre all’industria grandi opportunità durante la rapida trasformazione verso una maggiore sostenibilità.
di Christine Böhringer, giornalista freelance, per Endress+Hauser
La trasformazione energetica pone sfide importanti agli operatori delle centrali elettriche a gas. Sebbene si chieda loro di garantire una fornitura altamente flessibile e affidabile di elettricità e calore quando le fonti di energia rinnovabile come l’eolico o il solare non sono disponibili in quantità sufficiente, la combustione di un combustibile a base fossile come il gas naturale rilascia anidride carbonica dannosa, mettendo così a rischio gli obiettivi climatici mondiali.
Per questo motivo, uno dei tormentoni del momento è la preparazione all’H2.
“Gli operatori vogliono rendere i loro impianti pronti per l’idrogeno, miscelando quantità crescenti di idrogeno al gas naturale per ridurre il contenuto complessivo di carbonio del carburante”, spiega Cory Marcon, Power & Energy Industry Marketing Manager di Endress+Hauser USA.
A un certo punto l’industria prevede che l’idrogeno sarà in grado di sostituire completamente il gas naturale.
Se l’idrogeno viene prodotto tramite elettrolisi con l’aiuto di fonti di energia rinnovabili, le centrali elettriche saranno neutrali dal punto di vista della CO2.
La centrale a ciclo combinato gestita da Long Ridge Energy
Uno dei pionieri di questo graduale percorso verso la decarbonizzazione è la centrale a ciclo combinato a gas e vapore gestita da Long Ridge Energy ad Hannibal, Ohio, negli Stati Uniti. L’impianto, da 485 MW sul fiume Ohio, è entrato in funzione nell’ottobre 2021, diventando uno dei primi al mondo a essere progettato specificamente per utilizzare una combinazione di idrogeno puro e gas naturale per alimentare la turbina. Per farlo, però, ha bisogno di un buon sistema di controllo del processo.
L’idrogeno è altamente reattivo e presenta proprietà di combustione completamente diverse rispetto al gas naturale. Tra le sfide ci sono l’instabilità della combustione e l’accumulo eccessivo di ossido di azoto.
L’idrogeno ha anche un basso potere calorifico volumetrico grazie alla sua bassa densità. Per questo motivo la miscela deve essere controllata con precisione, per garantire un funzionamento sicuro ed economico dell’impianto”, spiega Cory Marcon. Il problema principale è evitare di superare la quantità massima di miscela accettata dal processo.
Per questo motivo, Long Ridge Energy ha cercato un sistema di iniezione dell’idrogeno preciso, con convalida della miscela, che utilizzasse una tecnologia di misura avanzata e che fosse adatto a scalare l’impianto. L’azienda si è affidata a Endress+Hauser.
La soluzione: flussimetro a tecnologia Coriolis + analizzatore Raman
La soluzione prevedeva l’utilizzo contemporaneo di diverse tecnologie innovative. Nel punto di iniezione dell’idrogeno è stato installato il flussimetro Promass Q basato sulla tecnologia Coriolis. Il Promass Q fornisce misure altamente precise della portata massica, della densità e della portata volumetrica anche in condizioni di processo fluttuanti, garantendo così un’iniezione uniforme dell’idrogeno. A monte è stato installato un flussimetro Coriolis Proline Promass F per monitorare il flusso di gas nella linea principale.
Un analizzatore Raman Rxn5, certificato per le zone Ex, è utilizzato per determinare in linea la composizione della miscela di gas e il corrispondente contenuto energetico.
Ciò consente di convalidare in tempo quasi reale la miscela di carburante e di evitare una reazione eccessiva dell’idrogeno, che potrebbe danneggiare il sistema di combustione.
“La spettroscopia Raman è una delle chiavi per rendere i sistemi di alimentazione delle turbine a gas sicuri per il futuro”, sottolinea Cory Marcon. Questa tecnologia di analisi ottica avanzata utilizza un raggio laser per generare una luce nella gamma del visibile o del vicino infrarosso per eccitare le molecole del campione. Il trasferimento di energia provoca uno spostamento di una piccola parte della luce laser (spostamento Raman).
La luce diffusa che ne risulta cambia colore a seconda del tipo di gas presente nelle sostanze chimiche. Gli analizzatori Raman misurano questi colori diffusi per determinare i componenti del gas e l’intensità di ciascun colore per valutare la concentrazione dei componenti.
Ciò rende il metodo Raman ideale per l’analisi di carburanti per turbine a gas in rapida evoluzione e miscelati.
Questa tecnologia, un tempo riservata all’uso in laboratorio, è ora disponibile come soluzione robusta e collaudata nel processo in linea. L’analizzatore è collegato direttamente al flusso di gas con un massimo di quattro sonde tramite fibre ottiche.
Misura di concentrazione accurata quasi in tempo reale
Nel processo di Long Ridge Energy l’Rxn5 è stato combinato con una sonda Raman Rxn-30. Sono necessari solo 15 secondi per effettuare una misura precisa nella linea principale del gas. Gli strumenti di gascromatografia convenzionali sono molto più lenti nell’elaborazione dei segnali e richiedono diversi minuti per completare un’analisi.
“La misura della composizione in tempo quasi reale consente anche di calcolare il punto di rugiada degli idrocarburi. Questo è fondamentale per evitare la condensazione, che può portare al coking del bruciatore. Inoltre, con una miscela di idrogeno è più probabile che si verifichi un ritorno di fiamma se le condizioni di combustione non sono adeguate alle proprietà del combustibile miscelato”, afferma Cory Marcon.
Long Ridge Energy è riuscita a miscelare più volte il gas naturale con una percentuale di idrogeno fino al 5%., fornito da un’azienda chimica vicina. Il sistema di iniezione sviluppato consente inoltre di aumentare ulteriormente la percentuale di idrogeno. La capacità della linea di iniezione dell’idrogeno in loco può essere facilmente ampliata con il misuratore di portata Proline Promass X Coriolis per ottenere la massima portata e con piccole modifiche alle tubazioni.
Il Raman Rxn5 può inoltre essere adattato a requisiti specifici di carburante e trattare un’ampia gamma di miscele di carburante senza dover modificare i componenti del sistema. “Questa flessibilità tecnologica sarà di grande beneficio per i futuri sforzi di espansione dell’azienda, quando l’impianto passerà dalle attuali miscele dimostrative a rapporti di produzione del 20% e oltre”.
Lo sviluppo di uno skid
Endress+Hauser ha incorporato l’esperienza di Long Ridge Energy nello sviluppo di uno skid che combina le misure di portata basate su Coriolis con la spettroscopia Raman per creare una soluzione per la miscelazione dell’idrogeno nei sistemi di alimentazione e nelle condutture. Lo skid facilita la completa automazione del processo di iniezione e il monitoraggio della composizione della miscela di carburante dopo l’iniezione, anche su lunghe distanze.
“L’esperienza con Long Ridge Energy ha dimostrato che le modifiche più importanti necessarie per l’uso di miscele di idrogeno devono essere apportate al di fuori della turbina stessa”, riassume Cory Marcon. “Questo è un dato incoraggiante, perché significa che molte altre turbine a gas possono funzionare con miscele di idrogeno con solo piccole modifiche e retrofitting. Ciò consentirà all’industria delle centrali elettriche di contribuire alla decarbonizzazione in tutto il mondo”.
