Segrate (Milano), 20 febbraio 2025
L’idrogeno verde è una delle soluzioni più promettenti per la transizione energetica e la decarbonizzazione di importanti settori industriali. A differenza di altre tipologie di idrogeno, questo vettore energetico viene prodotto affidandosi a fonti rinnovabili, attraverso un processo di elettrolisi dell’acqua che non comporta emissioni di CO₂.
Anche se i costi di produzione sono ancora più elevati rispetto alle alternative fossili, i progressi tecnologici e la crescente adozione di energie rinnovabili stanno rendendo questa soluzione sempre più competitiva. I convertitori di potenza svolgono un ruolo cruciale in questo ambito. Questi dispositivi elettronici convertono e regolano l’energia elettrica degli elettrolizzatori, avendo pertanto un impatto rilevante su efficienza e affidabilità e rendendo la produzione di idrogeno verde sempre più appetibile per molti settori, dall’industria ai trasporti.
L’idrogeno verde e il processo di elettrolisi
Il processo di elettrolisi consente di produrre idrogeno verde separando l’acqua (H₂O) nei suoi componenti fondamentali, ossigeno (O₂) e idrogeno (H₂), utilizzando energia elettrica. Il dispositivo che realizza questa separazione è l’elettrolizzatore, costituito da:
- Due elettrodi (anodo e catodo), immersi in una soluzione elettrolitica o separati da una membrana conduttrice di ioni.
- Un’alimentazione elettrica che fornisce la corrente continua necessaria.
Quando l’energia elettrica viene applicata agli elettrodi:
- All’anodo (elettrodo positivo): le molecole d’acqua cedono elettroni, producendo ossigeno gassoso (O₂) e ioni idrogeno (H⁺).
- Al catodo (elettrodo negativo): gli ioni idrogeno (H⁺) acquisiscono elettroni e si riducono, formando idrogeno gassoso (H₂).
L’equazione chimica complessiva del processo è: 2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)2H_2O(l)
dove (l) indica lo stato liquido e (g) lo stato gassoso dei prodotti.
Tipologie di elettrolizzatori
Esistono diverse tecnologie di celle elettrolitiche, ognuna con caratteristiche specifiche:
- Elettrolizzatori alcalini (AEL): utilizzano soluzioni di idrossido di potassio (KOH) o sodio (NaOH). Sono una tecnologia consolidata, economica, con efficienze del 60-70%.
- Elettrolizzatori PEM (Proton Exchange Membrane): impiegano una membrana a scambio protonico, con maggiore densità di corrente e risposta rapida alle variazioni di energia. Hanno efficienze del 70-80%, ma costi più elevati.
- Elettrolizzatori a ossidi solidi (SOEC): operano a temperature elevate (600-800°C), utilizzando ossidi solidi come elettroliti. Possono raggiungere efficienze superiori all’80%, sfruttando il calore di recupero industriale, ma sono ancora in fase di sviluppo.
- Elettrolizzatori AEM (Anion Exchange Membrane): combinano alcuni vantaggi degli elettrolizzatori alcalini e PEM, utilizzando una membrana a scambio anionico. Offrono potenziali riduzioni di costo rispetto ai PEM grazie all’uso di materiali non preziosi, mantenendo buone prestazioni ed efficienza.
Il ruolo dei convertitori nella produzione di idrogeno verde
La produzione di idrogeno verde tramite elettrolisi richiede una grande quantità di energia e, soprattutto, un’alimentazione elettrica stabile e ottimizzata. I convertitori di potenza sono essenziali per garantire il corretto funzionamento degli elettrolizzatori, convertendo, regolando e ottimizzando l’energia elettrica per migliorare l’efficienza complessiva del processo. Il compito principale delle unità di conversione (o PSU, Power Supply Unit) è adattare la potenza in ingresso agli elettrolizzatori, assicurando una fornitura stabile e compatibile con le specifiche esigenze del processo di elettrolisi.
Le principali funzioni dei convertitori includono:
- Conversione della corrente alternata (AC) in corrente continua (DC): Gli elettrolizzatori operano con corrente continua, mentre la rete elettrica fornisce corrente alternata. I convertitori trasformano questa energia per renderla utilizzabile.
- Regolazione della tensione e della corrente: L’elettrolisi richiede parametri precisi per garantire efficienza e durabilità degli elettrodi. I convertitori regolano tensione e corrente.
- Riduzione delle perdite energetiche: I convertitori ad alta efficienza minimizzano le dispersioni di energia durante la trasformazione.
- Adattamento ai carichi variabili: La disponibilità di energia rinnovabile e la domanda di idrogeno possono fluttuare. I convertitori garantiscono un funzionamento flessibile, rispondendo a queste variazioni.
- Protezione e sicurezza: I convertitori proteggono gli elettrolizzatori da sovratensioni, sovracorrenti e altre problematiche elettriche.
Tipologie di convertitori utilizzati nella produzione di idrogeno verde
A seconda delle caratteristiche dell’impianto e delle esigenze specifiche degli elettrolizzatori, vengono impiegate diverse tipologie di convertitori:
- Convertitori AC/DC (raddrizzatori di potenza):
- Trasformano la corrente alternata in corrente continua, fondamentale per il funzionamento degli elettrolizzatori.
- Possono essere a diodi, tiristori o semiconduttori avanzati (IGBT, SiC).
- Offrono alta efficienza e bassa distorsione armonica (THD).
- Convertitori DC/DC:
- Regolano la tensione e la corrente continua per adattarle ai requisiti degli elettrolizzatori.
- Ottimizzano il funzionamento in presenza di variazioni di energia, ad esempio da pannelli solari o turbine eoliche.
- Garantendo un basso ripple, assicurano una corrente stabile, essenziale per preservare gli elettrodi.
- Convertitori multilevel:
- Impiegati nei sistemi a media potenza, migliorano le performance rispetto alla qualità dell’energia verso la rete di distribuzione.
- Garantendo un basso ripple, assicurano una corrente stabile, essenziale per preservare gli elettrodi.
FRIEM progetta e produce diverse soluzioni per la produzione di idrogeno verde. Le nostre unità di conversione sono modulari e progettate per incontrare le esigenze delle principali tecnologie di celle elettrolitiche. Si compongono principalmente di trasformatore, raddrizzatore, sezionatori in corrente continua, unità di raffreddamento, polarizzatore e sistema di controllo ed eventuale sistema di filtraggio delle armoniche se richiesto da vincoli di rete (power quality).
I vantaggi dei convertitori per l’idrogeno verde
Maggiore efficienza energetica
Come spiegato, i convertitori contribuiscono a migliorare l’efficienza complessiva del sistema di elettrolisi, riducendo le perdite energetiche e ottimizzando il trasferimento di potenza. Le principali modalità con cui ciò avviene sono:
- Minimizzazione delle perdite di conversione: soluzioni progettuali specifiche e l’uso di semiconduttori avanzati come carburo di silicio (SiC) riducono la dissipazione di energia.
- Ottimizzazione della tensione e corrente: I convertitori regolano l’energia fornita agli elettrolizzatori, migliorando il rendimento della conversione elettrica in idrogeno e riducendo le perdite per effetto Joule.
- Tecnologie a commutazione naturale e convertitori multilevel: Migliorano l’efficienza e riducono la distorsione armonica, garantendo una fornitura di energia elettrica di alta qualità.
Questi miglioramenti permettono di ridurre il consumo energetico per ogni kg di idrogeno prodotto, contribuendo a rendere il processo più economico e sostenibile.
Stabilità operativa e maggiore durata degli elettrolizzatori
Il corretto funzionamento degli elettrolizzatori dipende da un’alimentazione stabile. Fluttuazioni di tensione o corrente possono danneggiare gli elettrodi e ridurre l’efficienza. I convertitori di potenza garantiscono:
- Stabilità della corrente continua (DC): I convertitori riducono il ripple e proteggono gli elettrodi da stress elettrici.
- Controllo preciso della potenza: L’ottimizzazione del funzionamento degli elettrolizzatori prolunga la loro durata.
- Protezione da sovratensioni e sovracorrenti: I convertitori riducono il rischio di guasti e abbassano i costi di manutenzione.
Flessibilità e adattabilità alle fonti rinnovabili
L’energia rinnovabile, come quella solare ed eolica, è intermittente e difficilmente prevedibile. I convertitori permettono di:
- Adattarsi alle fluttuazioni dell’energia rinnovabile: Regolano dinamicamente tensione e corrente in base alla disponibilità energetica.
- Integrare sistemi di accumulo energetico: Con l’uso di batterie o supercapacitori, l’energia in eccesso può essere immagazzinata e utilizzata quando la produzione è bassa.
- Gestire la modulazione della produzione di idrogeno: Ottimizzano il funzionamento degli elettrolizzatori in base alla disponibilità di energia e ai prezzi dell’elettricità.
Questa flessibilità consente di massimizzare l’uso delle fonti rinnovabili e di ridurre il costo dell’idrogeno verde, rendendolo più competitivo rispetto alle alternative fossili.
Riduzione dei costi operativi e di manutenzione
L’uso dei convertitori avanzati contribuisce a ridurre i costi operativi grazie a:
- Minori perdite energetiche: Riduzione del costo dell’elettricità necessaria per la produzione di idrogeno.
- Maggiore affidabilità: I sistemi divengono più resistenti ai guasti e necessitano di minori interventi tecnici, garantendo continuità alla produzione di idrogeno.
- Riduzione delle spese di manutenzione: Grazie alla protezione degli elettrolizzatori e all’ottimizzazione del loro funzionamento, si abbassano i costi legati alla manutenzione ordinaria.
- Lunga durata: Grazie alla progettazione specifica, garantiscono una vita operativa estesa anche oltre i 30 anni, massimizzando l’investimento iniziale.
Inoltre, l’aumento della durata degli elettrolizzatori e l’efficienza migliorata consentono di ammortizzare rapidamente l’investimento iniziale nei convertitori, migliorando la redditività complessiva degli impianti di produzione di idrogeno verde.
Supporto alla stabilità della rete elettrica
La produzione su larga scala di idrogeno verde, alimentata da fonti rinnovabili, può influenzare la stabilità della rete elettrica. I convertitori contribuiscono alla gestione della rete attraverso:
- Regolazione della frequenza e del carico: I convertitori supportano la stabilità del sistema elettrico.
- Funzionalità di demand response: Permettono di modulare il consumo energetico in base alla disponibilità di energia rinnovabile.
- Gestione delle microreti: Ottimizzano l’integrazione tra produzione, accumulo e utilizzo dell’energia per la produzione di idrogeno.
In questo modo, i convertitori non solo migliorano la produzione di idrogeno verde, ma favoriscono anche una maggiore integrazione delle energie rinnovabili nel mix energetico globale.
–
Con l’evoluzione delle tecnologie e l’introduzione di materiali innovativi, i convertitori stanno raggiungendo livelli di prestazioni sempre più elevati, contribuendo a ridurre i costi operativi e a migliorare la sostenibilità della produzione di idrogeno verde.
Investire in convertitori ad alta efficienza e affidabilità è una scelta strategica che rende l’idrogeno verde sempre più competitivo e sostenibile economicamente, consolidandolo come una soluzione chiave nel panorama energetico globale.
