Modulo 7.2: Esercitazione Impianto idrogeno

Corso di Strumentazione e Automazione Industriale
Modulo 7.2: Esercitazione Impianto idrogeno
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Dott. Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
1
Agenda
Descrizione generale dell’impianto HENERGIA
Impianti fotovoltaici
Impianto idrogeno
Classificazione ATEX: Applicazione
2
Descrizione generale dell’impianto
HENERGIA – LABORATORIO FOSSIL FUEL FREE
Nel settembre 2013 è stato inaugurato a Forlì
il centro di ricerca HENERGIA da parte di
HERA S.p.a.
Il complesso comprende i seguenti :
• Impianti fotovoltaici (impianti fotovoltaici
tradizionali e a concentrazione)
• Trigenerazione solare (pannello
fotovoltaico cogenerativo)
• Caldaia a biomassa
• Impianto idrogeno comprendente
sezione elettrolisi, compressione e PEM
fuel cell
3
Descrizione generale dell’impianto
HENERGIA – LABORATORIO FOSSIL FUEL FREE: PFD
H2
Il Laboratorio HENERGIA è stato realizzato con lo scopo di studiare sperimentalmente l’implementazione di
diverse fonte energetiche rinnovabili (fotovoltaico, solare termico, impianto idrogeno, biomassa) per la
produzione di energia elettrica e potenza termica (calda e fredda) nell’arco dell’anno solare.
L’obiettivo è quello di valutare l’effettiva produttività energetica e poter quindi giustificare la sua applicabilità
in un contesto geografico definito (Emilia Romagna) da un punto di vista economico ed energetico.
Non essendo presenti in letteratura lavori di questo tipo, con i dati ottenuti durante il funzionamento annuale
si sono definiti criteri di dimensionamento sulla base delle reali performance delle diverse tecnologie.
4
Agenda
Descrizione generale dell’impianto HENERGIA
Impianti fotovoltaici
Impianto idrogeno
Classificazione ATEX: Applicazione
5
Impianti fotovoltaici
HENERGIA – Sezione Fotovoltaico
H2
Il Laboratorio HENERGIA presente le seguenti sezioni:
• Sezione Fotovoltaico: in questa sezione si ha la produzione di energia elettrica attraverso diverse
tipologie di impianti fotovoltaici.
• L’energia elettrica in corrente continua prodotta è inviata agli inverter in cui è trasformata in corrente
alternata; nel caso in cui non ci siano utenze attive, l’energia elettrica è ceduta alla rete elettrica
attraverso un quadro elettrico di scambio; in caso contrario l’energia elettrica è utilizzata direttamente
dalle utenze.
6
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
I moduli fotovoltaici di ogni singola tecnologia sono collegati in serie tra loro allo scopo di
formare un stringa fotovoltaica. La connessione in serie consente di raggiungere la
tensione minima sufficiente (con il collegamento in serie le tensioni si sommano) ad azionare
l’inverter. Ogni tecnologia fotovoltaica ha un inverter dedicato.
• Silicio monocristallino + amorfo: 10 Moduli, 2.40 kWp installata,
• Silicio policristallino (PC): 9 Moduli, 2.16 kWp installata,
• Silicio amorfo: 12 Moduli, 1.46 kWp installata,
16,2%
14,7%
8,5%
• Tellururo di cadmio: 28 Moduli, 2.24 kWp installata,
10,4%
7
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Il rendimento del singolo pannello fotovoltaico
(STC).
, è calcolato in Condizioni di Test Standard
Dove:
• V: è la tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V).
• I: è la corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A).
• G: è la radiazione solare globale (W/m2).
• A: è la superficie del pannello fotovoltaico (m2).
Condizioni STC:
• G= 1000 W/m2
• Temperatura cella: 25 °C
Su ogni pannello è inserito un trasduttore di temperatura che consente di acquisire la
temperatura del pannello. In tal modo è possibile verificare le prestazioni del pannello al variare
della temperatura superficiale rispetto a quelle fornite dal costruttore.
8
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali in HENERGIA
#
inverter
Tecnologia
INV1
Silicio monocristallino misto
amorfo
(10 moduli da 240 W p)
INV2
Silicio policristallino
(9 moduli da 240 W p)
INV3
FOTOVOLTAICO TRADIZIONALE
Potenza elettrica
Rendimento
elettrico di picco
di picco [kW]
Marca
Pnom
ηnom
Sistema
inseguimento
Panasonic
2,40
19,0%
Fisso
CNPV
2,16
14,7%
Fisso
Tellururo di cadmio
(28 moduli da 82,5 W p)
First Solar
2,31
11,5%
Fisso
INV4
Silicio amorfo
(12 moduli da 120 W p)
Sharp
1,44
8,5%
Fisso
INV5
Silicio policristallino
(4 moduli da 230 W p)
Anaf Solar
0,92
13,9%
Fisso
INV7
Silicio policristallino
(4 moduli da 240 W p)
CNPV
0,96
14,7%
Monoassiale
(Heliantus)
Inverter
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
Aurora Power
One
PVI 3.8 (3,8
kW)
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
9
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio monocristallino + amorfo. (2.40 kWp /
16,2%). Modello HIT-N240SE10. Produttore: Panasonic
La tecnologia HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) è basata su un sottile wafer di silicio
monocristallino circondato da un film di silicio amorfo ultrasottile. Alle alte temperature le celle HIT sono in
grado di mantenere un’efficienza più elevata delle celle solari convenzionali di silicio cristallino
10
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio monocristallino + amorfo (2.40 kWp /
16,2%).
NOCT: Nominal Operating Cell Temperature
È la temperatura raggiunta dalla cella in
determinate condizioni ambiente (800 W/m2,
temperatura dell’aria a 20 °C e velocità del vento a
1m/s).
Maggiore è il valore del NOCT e maggiore è il
decadimento delle prestazioni del pannello
all’aumentare della temperatura del pannello
stesso.
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Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio monocristallino + amorfo (2.40 kWp /
16,2%).
12
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio policristallino. (2.16 kWp /
14,7%). Modello 240 P. Produttore: CNPV.
13
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio policristallino.
Modello 240 P.
Produttore: CNPV.
14
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio amorfo. (1.46 kWp /
8,5%). Modello NA-F121 (G5). Produttore: Sharp.
15
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio amorfo. (1.46 kWp /
8,5%). Modello NA-F121 (G5). Produttore: Sharp.
16
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio amorfo. (1.46 kWp /
8,5%). Modello NA-F121 (G5). Produttore: Sharp.
17
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Tellururo di Cadmio. (2,24 kWp /
10,4%). Modello FS-380. Produttore: First Solar.
18
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio Policristallino ibrido. (0,92 kWp /
13,9%). Modello H-NRG. Produttore: Anaf Solar.
Per ridurre la temperatura del pannello e dunque ottimizzare le prestazioni elettriche, nei pannelli ibridi si va a raffreddare il
pannello con un fluido, che solitamente è una miscela di acqua e glicole. Così facendo il pannello fotovoltaico cogenerativo
consente la produzione contemporanea di potenza elettrica e potenza termica. Il calore asportato può essere utilizzato per
diversi scopi in ambito civile, come la produzione di acqua calda sanitaria.
Il pannello cogenerativo presenta tuttavia un costo superiore rispetto a quello tradizionale, che ne ha frenato sinora
Massima resa termica
l’ingresso nel mercato
Massima resa elettrica
19
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio Policristallino ibrido. (0,92 kWp /
13,9%). Modello H-NRG. Produttore: Anaf Solar.
20
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali
Silicio Policristallino ibrido. (0,92 kWp /
13,9%). Modello H-NRG. Produttore: Anaf Solar.
Number
Description
1
Tempered Glass, Low Iron Content, High transmittance
2
E.V.A. (Ethyl Vinyl Acetate) Encapsulating Film
3
Solar Collectors
4
E.V.A. Encapsulating Film
5
Back Sheet TPT and TPE Protection
6
Aluminium H-NRG system
7
Insulating layer (optional)
21
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici tradizionali con inseguitore
Silicio Policristallino con inseguitore monoassiale. (0.96kWp /
14,7%). Modello 240P. Produttore:
CNPV.
22
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici a concentrazione
Un impianto a concentrazione solare è composto da:
• Un elemento ottico in grado di concentrare la radiazione solare diretta
• Un elemento ricevitore in grado di assorbire la radiazione solare concentrata
23
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici a concentrazione
Per valutare le proprietà di un elemento ottico a concentrazione ci si riferisce a:
•
Rendimento ottico, : Rapporto tra la potenza luminosa al ricevitore e la potenza luminosa in ingresso
all’elemento ottico concentratore.
•
Fattore di concentrazione geometrico C: rapporto tra la superficie dell’elemento ottico concentratore e
la superficie dell’elemento ricevitore.
C < 10 : concentrazione bassa
10 < C < 100 : concentrazione media
C > 100 : concentrazione alta
Il fattore di concentrazione C influenza notevolmente la scelta della tipologia di inseguitore solare:
1. Monoassiale (per C < 10): sono dispositivi che inseguono il sole ruotando attorno a un solo asse.
2. Biassiale (C > 10): hanno due assi di rotazione, solitamente perpendicolari fra loro. Grazie ad essi e a
strumentazione elettronica più o meno sofisticata, è possibile puntare perfettamente e in tempo reale i
pannelli verso il sole, massimizzando l’efficienza dei pannelli solari.
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Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici a concentrazione
Il rendimento del singolo pannello fotovoltaico
, è calcolato in Condizioni di Test Standard (STC).
Dove:
• V: è la tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V).
• I: è la corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A).
• G: è la radiazione solare globale (W/m2).
• A: è la superficie del pannello fotovoltaico (m2).
Condizioni STC per impianti a concentrazione:
•
•
G= 800 W/m2
Temperatura cella: 25 °C
Su ogni pannello è inserito un trasduttore di temperatura che consente di acquisire la temperatura del
pannello. In tal modo è possibile verificare le prestazioni del pannello al variare della temperatura
superficiale rispetto a quelle fornite dal costruttore.
25
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici a concentrazione in HENERGIA
#
inverter
Tecnologia
FOTOVOLTAICO TRADIZIONALE
Potenza elettrica
Rendimento
elettrico di picco
di picco [kW]
Marca
Pnom
ηnom
Sistema
inseguimento
INV6
Sistema a concentrazione
(lenti di Fresnel)
Arima
1,76
26,0%
Biassiale
INV8
Sistema a concentrazione
(lenti di Fresnel)
Sun Flower
1,14
28,0%
Biassiale
INV9
Sistema a concentrazione
(lenti Cassegrain)
GPS III
Solar
1,00
29,0%
Monoassiale
Inverter
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
Aurora Power
One
PVI 3.0 (3 kW)
26
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici a concentrazione
Lente di Fresnel. (1.76kWp /
26%). Modello Eco-Energy. Produttore: Arima. Inseguitore biassiale.
Fattore di concentrazione C = 476:1. Cella fotovoltaica; tripla giunzione.
27
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici a concentrazione
Lente di Fresnel. (1.14 kWp /
39%). Modello :
Sunflower CPV. Produttore: Isofoton. Inseguitore biassiale.
Fattore di concentrazione C = 500:1. Cella fotovoltaica:
tripla giunzione.
Impianti fotovoltaici: impianti fotovoltaici a concentrazione
Ottica Cassegrain. (1.14 kWp /
29%). Modello:
GPS 600. Produttore: GP III Solar. Inseguitore
monoassiale. Fattore di concentrazione C = 600:1.
Cella fotovoltaica: tripla giunzione.
28
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: Collegamento
Solitamente è necessario collegare tra loro in serie o in parallelo più moduli fotovoltaici per ottenere una
stringa caratterizzata da condizioni operative di tensione e potenza desiderate.
Il primo criterio da seguire è che le caratteristiche e le condizioni operative di ogni singolo pannello siano
quanto più simili fra di loro.
Da un punto di vista qualitativo il comportamento elettrico della stringa realizzato è simile a quello dei moduli
che lo compongono.
In particolare si ha per la stringa:
Dove:
•
•
•
•
•
•
•
: Tensione a circuito aperto del modulo
: Tensione in corrispondenza della massima potenza del modulo
: Corrente di corto circuito del modulo
: Corrente in corrispondenza della massima potenza del modulo
: Potenza di picco del modulo
n: Numero di moduli collegati in serie
m: Numero di moduli collegati in parallelo
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Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: Collegamento in serie
Nel caso di collegamento in serie si utilizzano degli spezzoni di
cavo unipolare con un percorso entra ed esci da ciascun modulo.
Solitamente dalla scatola di giunzione fuoriescono i cavi dotati di
connettori rapidi a cui si collegano molto semplicemente i cavi
provenienti dal modulo precedente o successivo nella stringa.
Nel collegamento in serie, se parte dei moduli venisse messa in
ombra, allora diventerebbe una resistenza che ostacola ed
assorbe corrente. (Effetto HotSpot Fotovoltaico)
La corrente prodotta dalle celle colpite dalla luce solare
attraversando le celle in ombra riscalda queste ultime per effetto
Joule provocando un danneggiamento del pannello stesso.
Per evitare questo problema si inserisce un diodo, detto di
bypass, che serve a by-passare ossia ad escludere la zona del
pannello che si trova all’ombra
30
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: Collegamento in parallelo
Il collegamento in parallelo non è così semplice come
quello in serie.
In alcuni casi il costruttore dell’inverter permette di
realizzare il parallelo dei moduli all’interno del
convertitore.
Nel caso più generale è necessario prevedere
un’apposita cassetta di parallelo stringhe che contiene
i dispositivi di protezione delle stringhe, un interruttore
di manovra-sezionatore e gli scaricatori di
sovratensione.
I dispositivi di sicurezza servono ad evitare che in caso
di ombreggiamento parziale del collegamento, una
delle stringhe abbia ai suoi capi una tensione talmente
bassa da ricevere la corrente prodotta dalle altre
stringhe. In caso le stringhe siano molte si potrebbero
raggiungere valori tali di corrente da danneggiare il
sistema.
Il collegamento fisico fra due moduli avviene sempre
mediante connettori rapidi.
31
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: Collegamento
I moduli fotovoltaici di ogni singola tecnologia sono collegati
in serie tra loro allo scopo di formare un stringa fotovoltaica
caratterizzata da una definita tensione.
Le stringhe sono collegate ad un quadro esterno, che
consente lo sgancio manuale in condizioni di pericolo.
La linea in corrente continua prosegue poi all’interno del container
acquisizione dati, dove le stringhe giungono al quadro in corrente
continua dedicato ad ogni singola tecnologia fotovoltaica.
Il quadro elettrico in corrente continua prevede i seguenti collegamenti :
•
•
•
•
•
•
Collegamento ausiliario (cavo verde chiaro);
Collegamento per la comunicazione con il sistema di acquisizione dati
(cavi blu, sono due perché si arriva ad un quadro e si riparte per il
successivo);
Collegamento con l’inverter (cavi rosso e nero);
Collegamento con il quadro elettrico esterno (cavi rosso e nero);
Alimentazione proveniente dal quadro elettrico generale in corrente
alternata (presente all’interno del locale acquisizione dati) per gli
strumenti di misura (cavi verde scuro);
Collegamento di protezione (cavo verde e giallo).
32
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: Collegamento
I moduli Sharp (tecnologia a film sottile) sono collegati tra loro formando due diverse stringhe. Al quadro
elettrico di sicurezza esterno queste vengono poi collegate in parallelo tra loro e, pertanto, al quadro in
corrente continua dell’inverter dedicato arriva un'unica stringa.
I moduli First Solar (tellururo di cadmio) sono collegati tra loro formando quattro diverse stringhe. Al quadro
elettrico di sicurezza esterno queste vengono poi collegate in parallelo a coppie e pertanto, al quadro
corrente continua dell’inverter dedicato arrivano due stringhe separate. Per questo motivo, sono presenti
due quadri in corrente continua per questo tipo di tecnologia (uno per stringa).
I moduli delle restanti tecnologie sono collegati tra loro formando un’unica stringa già sul quadro esterno di
sicurezza.
La tecnologia Sharp (film sottile) richiede la presenza di un inverter con
trasformatore di isolamento, che troviamo situato sotto il corrispondente
quadro elettrico in corrente continua, per gestire le scariche di corrente che
i moduli inviano in continuo verso terra (caratteristica peculiare di questo
tipo di tecnologia. Per la medesima ragione il quadro inverter dell’impianto
Sharp presenta caratteristiche differenti dagli altri presenti nel container
acquisizione dati (si presenta più “alto”) ed è, pertanto, facilmente
riconoscibile.
33
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: Collegamento
Dal quadro elettrico in corrente continua si arriva all’inverter che trasforma la corrente continua in corrente
alternata.
Gli inverter sono collegati al quadro corrente continua (cavi rosso e nero) e al quadro elettrico generale
(cavo verde). Il cavo blu è una predisposizione per la comunicazione con il sistema di acquisizione dati,
tuttavia al momento non è utilizzato.
34
Impianti fotovoltaici
Impianti fotovoltaici: Collegamento
Si prosegue, infine, al quadro elettrico generale, dove sono
installati gli strumenti di misura per la misura delle grandezze
in corrente alternata.
Nota: ogni inverter è settato con una soglia minima di
attivazione in ingresso per la tensione.
Se la tensione in arrivo all’inverter è inferiore, l’inverter non
procede alla commutazione in corrente alternata e risulta
alimentato dalla rete.
In queste condizioni lo strumento sul quadro in corrente
continua misura assorbimenti negativi.
È possibile modificare il valore di soglia direttamente dal
pannello di controllo dell’inverter.
Nel caso in cui il collegamento all’inverter risultasse danneggiato o mal eseguito si potrebbero verificare
resistenze elettriche tali da provocare un valore di tensione in ingresso all’inverter inferiore a quello di
soglia, e dunque all’interruzione delle operazioni da parte dell’inverter. Questo se si verificasse durante la
stagione primaverile o estiva potrebbe provocare un’elevata perdita in termini di produttività.
35
Agenda
Descrizione generale dell’impianto HENERGIA
Impianti fotovoltaici
Impianto idrogeno
Classificazione ATEX: Applicazione
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Impianto idrogeno
HENERGIA – Sezione Idrogeno
H2
L’energia prodotta nella sezione fotovoltaico viene utilizzata nella sezione Impianto Idrogeno: in questa
sezione si ha la produzione di idrogeno a partire da acqua demineralizzata ed energia elettrica all’interno di
un elettrolizzatore. L’idrogeno prodotto, viene compresso ed inviato a fuel cells in cui si ha la produzione di
energia elettrica, a corrente continua, acqua e calore; l’energia elettrica prodotta viene stoccata in batterie
oppure convertita in alternata e inviata al quadro elettrico di scambio con la rete elettrica.
Nel caso in cui l’energia elettrica prodotta in HENERGIA non fosse sufficiente per sopperire alla richiesta
dell’impianto, la restante parte viene assorbita dalla rete elettrica.
37
Impianto idrogeno
HERALAB - LAYOUT IMPIANTO IDROGENO
38
Impianto idrogeno
Cenni sull’idrogeno
L’idrogeno è un gas incolore, inodore, non velenoso che bruciando produce una fiamma trasparente;
presenta il più alto contenuto energetico in massa fra i combustibili, però a causa della sua bassa densità
ha un ridotto contenuto energetico in volume. Il suo trasporto è inoltre limitato a causa problemi di
infragilimento nelle condotte metalliche.
L’idrogeno è l’elemento più presente nell’universo, tuttavia a causa del suo peso specifico è estremamente
raro sulla terra nel suo stato elementare. L’idrogeno si può trovare all’interno di numerosi composti con cui
veniamo a contatto quotidianamente, come acqua e idrocarburi per esempio.
Per ricavare idrogeno da questi occorre dispendere un’elevata quantità di energia. Per questo motivo viene
normalmente definito come vettore energetico.
Idrogeno
Metano
Massa molecolare [kg/kmole]
2
16
Temperatura di fiamma, [°C]
2045
1875
LHV, [MJ/kg]
120
50
Densità del gas a 1 bar e 15 °C, [kg/m3]
0,085
0,677
LHV, [mJ/m3]
10,2
33,85
Range di infiammabilità in aria,
[% in volume]
4-75
5,3-15
Energia di attivazione, [mJ]
0,02
0,29
39
Impianto idrogeno
Processi di produzione dell’idrogeno
Elettrolisi dell’acqua
L’elettrolisi dell’acqua è un processo elettrolitico nel
quale il passaggio di corrente elettrica causa la
scomposizione dell’acqua in ossigeno ed idrogeno
gassosi.
All’acqua distillata (povera di ioni H3O e OH)
vengono solitamente aggiunte piccole quantità di
acido solforico allo scopo di aumentarne la
conduttività.
Le reazioni che avvengono sono le seguenti:
Catodo:
Anodo:
→
→
Reazione di neutralizzazione:
Reazione globale:
→
→
40
Impianto idrogeno
Process Flow Diagram (PFD) - IMPIANTO IDROGENO
41
Impianto idrogeno
P&ID -
IDROGENO PRODUZIONE ED UTILIZZO
IMPIANTO
DPT
PT
IDROGENO
TT
EN. ELETTRICA
FC
SET
1 BAR
NA
1kW
PS
EN. ELETTRICA
FC
1kW
NC SET
0.5 BAR
EN. ELETTRICA
FC
MISURATORE
CORIOLIS
1kW
SCARICO ACQUA
AZOTO INERTE
O2 SPURGO
DPT
FILTRI
TT
LEGEND
PG
PT
SET
6.5 BAR
Pressure Gauge
NC
TANK
270 lt
PT
Pressure Transmitter
TG
Temperature Gauge
TT
Temperature Transmitter
DPT
Differential Pressure Transmitter
PS
Pressure Switch
VNR
Non Return Valve
FI
Filter
SV
Safety Valve
SPURGO ACQUA
PG
SPURGO ACQUA
ZONA ATEX 2
NC
EN. ELETTRICA
NA
TO SAFE
AREA
SET
55 BAR
IDROGENO STOCCAGGIO
80 lt
PG
TT
SV2
PT
40 BAR
NC
NC
SET
3.5 BAR
TO SAFE
AREA
ZONA ATEX 2
TANK
PT
ACQUA DEMI
PT
NC
SET
5 BAR
ELETTROLIZ
NA
VNR
PT
TT
VNR
ACQUA
SV1
5 BAR
DPT
PT
TT
SET
2.5 BAR
42
Impianto idrogeno
Sezione elettrolizzatore: P&ID e dati tecnici
•
Fluid: Hydrogen
•
Mass flowrate: 1 Nm3/h
•
Operative Pressure: 3,5 bar
•
Design fluid Temperature: -5/+40 °C
43
Impianto idrogeno
ELETTROLIZZATORE
MANUFACTURER : Piel
Modello: P1.5
44
Impianto idrogeno
ELETTROLIZZATORE
MANUFACTURER: Piel
Modello: P1.5
Technical data
Hydrogen production (Nm3/h)
1,0
Oxygen production (Nm3/h)
0,5
Gas purity % (H2 – O2)
99,5 +/- 0.2
Power Consumption (kW)
7.4
Maximum demineralized water
consumption (l/h)
0.8
Power supply (V/Hz)
380/50
Dimensions (cm: L x W x H)
94 x 54 x 150
Weight (kg)
265
, ,
, , %
45
Impianto idrogeno
ELETTROLIZZATORE: funzionamento
L’elettrolisi produce idrogeno per elettrolisi della
comune acqua demineralizzata.
La trasformazione chimica avviene nella cella
elettrolitica. Questa cella è sottoposta ad un flusso di
corrente elettrica continua che consente la reazione
di scomposizione della molecola di acqua in
idrogeno ed ossigeno.
I due gas escono dalla cella separati e da queste si
raccolgono nei rispettivi serbatoi dove si ottiene la
separazione del gas dalla fase liquida di processo
rimasta, definita elettrolito. È infatti all’interno dei
serbatoi, definiti separatori, che i gas miscelati con
l’elettrolito si separano: i gas più leggeri salgono
nella parte superiore per poi confluire nel gruppo
scambiatore di calore mentre l’elettrolito per caduta
ritorna in circolo alle celle elettrolitiche.
46
Impianto idrogeno
ELETTROLIZZATORE: funzionamento
All’interno dei serbatoi sono presenti sonde per il
controllo del livello dell’elettrolito necessarie per il
controllo dell’immissione dell’acqua demineralizzata.
I gas in uscita dai due serbatoi sono quindi
raffreddati e deumidificati per poter eliminare il
quantitativo di acqua trascinato.
Una volta completato il processo, i due gas sono resi
disponibili per l’utilizzo alle due rispettive uscite
protette entrambe da valvole antiritorno e
antifiamma; le valvole antiritorno e quelle antifiamma
hanno il compito di bloccare eventuali ritorni di
fiamma. Al loro interno è presente un cilindretto di
materiale sinterizzato che agisce da barriera per le
fiamme. La valvola unidirezionale a sfera blocca sia i
ritorni di fiamma che le onde di pressioni.
La corrente elettrica necessaria al processo è
regolata automaticamente in funzione della quantità
di gas richiesto dalle utenze.
47
Impianto idrogeno
SEZIONE ELETTROLIZZATORE: P&ID
48
Impianto idrogeno
FILTRO DEOXO
Il filtro DEOXO serve per rimuovere l’ossigeno dalla corrente di idrogeno ed
ottenere una corrente con una purezza pari al 99,999% attraverso il
principio della combustione catalitica.
Il processo avviene facendo passare l’effluente attraverso un letto di pallet
di catalizzatore di metallo prezioso sostenuto da una griglia.
L’ossigeno viene rimosso attraverso l’acqua formatasi dalla reazione fra
l’idrogeno e l’ossigeno.
Per completare la filtrazione del gas, il sistema può essere completato con
due colonne di essicazione (pre-filtro e post-filtro).
#
Descrizione
1
Colonna in ingresso con materiale essiccante
2
Colonna in uscita con materiale essiccante
3
Ingresso idrogeno con valvola di sicurezza a flashback
4
Uscita idrogeno
5
Reattore catalitico con catalizzatore in materiale essiccante
6
Valvola di scarico pressione idrogeno
7
Scarico condensa idrogeno dalla colonna in ingresso
8
Scarico condensa idrogeno dalla colonna in uscita
49
Impianto idrogeno
Filtro essiccatore a sali igroscopici
Quando la macchina raggiunge la pressione di
esercizio, vengono aperti lentamente i rubinetti
montati sui filtri che collegano la macchina alla linea
di distribuzione del gas.
La procedura di scarico della condensa può essere
effettuata solamente dopo aver depressurizzato i filtri.
Il filtro essiccatore serve per trattenere l’umidità
presente nella corrente di idrogeno e non eliminata
nella sezione precedente.
Come materiale essiccante viene utilizzato cloruro di
calcio o setacci molecolari.
50
Impianto idrogeno
ELETTROLIZZATORE: Accensione
1.
2.
3.
4.
Girare la maniglia (1) in posizione on (collegamento alla rete
elettrica.
Girare la chiave in posizione (2).
Premere il pulsante di avviamento (3). La reazione elettrolitica
incomincia con la formazione dei due gas. L’immissione di gas
all’interno dei serbatoi provoca un aumento di pressione.
Raggiunta la pressione operativa (3,5 bar), si possono aprire
lentamente i rubinetti (5) di uscita dei due gas per l’immissione
nella linea di utilizzo.
ELETTROLIZZATORE: Spegnimento
1. Girare la maniglia (1) in posizione off.
2. Chiudere i due rubinetti:
Se sono presenti i filtri essiccatori:
1. Aprire lentamente i due rubinetti (8) posti sui filtri.
2. Aprire i due rubinetti di scarico condensa (9).
Se non sono presenti i filtri:
1. Aprire lentamente i due rubinetti di scarico
condense (10) per scaricare la pressione e le
condense finché non esce più liquido e poi
richiuderli.
51
Impianto idrogeno
SEZIONE ELETTROLIZZATORE: P&ID
L’elettrovalvola EV e la valvola manuale VM vengono aperte
prima dell’avviamento dell’elettrolizzatore, collegando
l’elettrolizzatore alla linea principale del gas.
L’elettrovalvola presente è NC: in tal modo, in caso di
mancanza dell’alimentazione elettrica, si garantisce
l’intercettazione dell’elettrolizzatore.
Per evitare l’apertura involontaria del circuito, si pone una
valvola manuale a valle dell’elettrovalvola EV che l’operatore
deve aprire per poter consentire l’avviamento del sistema.
52
Impianto idrogeno
Valvola Elettrovalvola VE
Technical data:
•
Solenoid valve
•
Normally closed
•
Temperature Range: -20 to +120 °C
•
Material: 316 SS
•
Response Time < 100 ms
•
Pressure Range: 0-10 bar
•
Connections: DN 8; NPT fittings
•
Electrical power: 24 Vdc
•
ATEX II 2G Ex d IIC
L’elettrovalvola è scelta in funzione di:
•
Caratteristiche fisiche e chimiche del fluido
•
Temperatura massima del fluido
•
Pressione massima del fluido
53
Impianto idrogeno
Elettrovalvola VE
Si sceglie
l’elettrovalvola in
funzione del Cv
calcolato da
catalogo
Si determina la massima temperatura ambiente ammessa
54
Impianto idrogeno
Valvola manuale VM
Technical data:
•
Ball valve
•
Straight configuration
•
Cv=6
•
Size: 10 mm
•
Material: 316 SS
•
Temperature limits: -40 °C to +85 °C
•
Connections: Swagelok Tube fittings
Pressure-Temperature
Ratings
55
Impianto idrogeno
Valvola manuale VM
56
Impianto idrogeno
SEZIONE ELETTROLIZZATORE: P&ID
Per determinare la portata massica di gas
che percorre la sezione «elettrolizzatore»
si utilizza la seguente strumentazione a
valle della sezione filtro:
•
Pressure transmitter
•
Temperature transmitter
•
Differential pressure transmitter su
orifizio tarato
∆ →
→ à→
à→
Da notare la presenza del bypass sulla linea del DPT che consente di bypassare la misura qualora
tale misura non fosse ritenuta necessaria
57
Impianto idrogeno
Trasmettitore di pressione PT
Technical data:
•
Pressure transmitter
•
Range: [0; 10.34] bar
•
Temperature limits: -40 °C to +85 °C
•
Communication Protocol: 4-20 mA
•
Material: 316 SS
•
ATEX II 1G Ex ia IIC
58
Impianto idrogeno
Trasmettitore di temperatura TT
Technical data:
•
Temperature transmitter
•
Sensor type: Thermocouple
•
Range: -250 to +400 °C
•
Communication: 4-20 mA
•
ATEX
Tipologia di Termocoppia
59
Impianto idrogeno
Trasmettitore di differenza di pressione
Technical data:
•
Material: 316 SS
•
Range: [0; 62,3] mbar
•
Temperature limits: -40 °C to +85 °C
•
Communication Protocol: 4-20 mA
•
ATEX II 2G Ex d IIC
Per garantire la corretta misurazione occorre
mantenere le distanze definite dal costruttore.
Le accidentalità a monte e a valle dell’orifizio
tarato provocano turbolenza nel flusso del
fluido che perturba la misura e dunque il
valore acquisito risulterebbe non corretto.
60
Impianto idrogeno
Manifold
Technical data:
•
Three valve 305 manifold
•
Material: 316 SS
La configurazione di manifold con tre valvole è utilizzata per le misure di pressione differenziale. Due
valvole di intercettazione provvedono all’isolamento dello strumento, mentre la restante viene usata come
equalizzatrice fra la porta collegata all’alta pressione e quella collegata alla bassa
61
Impianto idrogeno
Manifold
62
Impianto idrogeno
Valvola di non ritorno VNR
Technical data:
•
No return valve
•
Fixed Cracking Pressure type: 0.03 bar
•
CV: 1.8
•
Size: 10 mm
•
Material: 316 SS
•
Connections: Swagelok Tube fittings
La cracking pressure di una valvola di non
ritorno, è la sovrappressione fra monte e valle
della valvola che determina l’apertura della
stessa.
63
Impianto idrogeno
SEZIONE ELETTROLIZZATORE: P&ID
La valvola di sicurezza interviene nel caso si
abbia il superamento di un valore di soglia
definito in fase di progetto, scaricando quindi
in sicurezza il fluido in pressione.
Il serbatoio non è un vero e
proprio accumulo
1
2
3
Il serbatoio di idrogeno può essere isolato
attraverso l’utilizzo delle elettrovalvole 1,2 e 3.
Nel caso le elettrovalvole 1 e 2 siano chiuse ma
si abbia comunque un trafilamento, la valvola 3,
aperta, consente l’espulsione del gas trafilato
attraverso il condotto di venting in zona sicura.
64
Impianto idrogeno
Elettrovalvole VE
Technical data:
NC
NO
NC
•
Solenoid valve
•
Normally closed and Normally Open
•
Material: 316 SS
•
Response Time < 100 ms
•
Pressure Range: 0-10 bar
•
Connections: DN 8; NPT fittings
•
Electrical power: 24 Vdc
•
Temperature range: -20 to +120 °C
•
ATEX II 2G Ex d IIC
65
Impianto idrogeno
Serbatoio
Descrizione
Valore
Volume, [l]
270
Pressione di progetto, [barg]
7
Pressione di esercizio, [barg]
5
Pressione di prova idraulica, [barg]
1.5 x 7 = 10.38
Temperatura di esercizio, [°C]
-5 / 40°C
Temperatura di progetto, [°C]
-20/+100
Peso, [kg]
130
Materiale
AISI 316 L
66
Impianto idrogeno
Safety relief valve
Technical data:
•
Set Pressure: 5,5 barg
•
Coefficient of discharge, Kv: 0.95
•
Overpressure: 10%
•
Blowdown: 7%
•
Temperature range: - 20 to +50 °C
67
Impianto idrogeno
Elementi di approfondimento sulle
valvole di sicurezza
Da slide 69 a slide 79
68
Approfondimento
69
Approfondimento
Parametri caratteristici
pt = pressione di taratura (set pressure): pressione
prestabilita a cui in una valvola di sicurezza si verifica l'inizio
dell'alzata
∆ps = sovrapressione della valvola di sicurezza
(overpressure): aumento di pressione rispetto alla
pressione di taratura della valvola di sicurezza
pr = pressione di richiusura (re-seating pressure):
pressione di ingresso a cui l'otturatore ristabilisce il contatto
con la sede
∆pr = scarto di richiusura della valvola di sicurezza
(bolwdown): differenza tra la pressione di taratura e la
pressione di richiusura
ps = pressione di scarico (relieving pressure): pressione
di taratura più sovrapressione corrispondente alla portata
certificata
ps  pt   ps
Scarico
gas
Gas
70
Approfondimento
Parametri caratteristici
pc = contropressione imposta (superimposed back
pressure): pressione statica esistente a valle della valvola
nell’istante precedente lo scarico
pcs = contropressione generata allo scarico (built-up back
pressure): pressione statica esistente allo scarico durante
l’efflusso
ptb = pressione di prova taratura al banco (cold differential
test pressure): pressione di ingresso a cui è sottoposta una
valvola di sicurezza sul banco di prova con contropressione
atmosferica e temperatura ambiente affinché si abbia l'inizio
dell'alzata
Scarico
gas
Gas
71
Approfondimento
Parametri caratteristici
h = alzata (lift): alzata rispetto alla posizione di valvola
chiusa
A = area di efflusso (flow area)
Qc = portata certificata (certified capacity): (portata di
riferimento per l'uso della valvola di sicurezza, pari alla
portata teorica moltiplicata per il coefficiente di efflusso e
moltiplicata per il coefficiente di riduzione 0,9)
Qt = portata di efflusso teorica (calcolata) (theoretical
flowing capacity)
Qr = portata di efflusso reale (misurata) (measured
flowing capacity)
Scarico
gas
h
K = coefficiente di efflusso
Qr
K 
Qt
A
Gas
72
Approfondimento
Parametri caratteristici
Portata di efflusso teorica (calcolata) (theoretical flowing capacity)
pb= contropressione allo scarico
ps = pressione di scarico
Condizioni
supercritiche
Condizioni
subcritiche
pb  2 


ps  k  1 
pb  2 


ps  k  1 
qts = portata teorica specifica (kg/(h*mm2))
ps = pressione di scarico (bar a)
Z = fattore di comprimibilità
Ts = temperatura assoluta di scarico (K)
C = coefficiente d'espansione
M = peso molecolare (kg/kmole)
Kb = coefficiente di correzione
k
k 1
q ts  p s  C
k
k 1
M
ps
 0 . 2883  C
ZT s
v
q ts  p s  C  K b 
M
 0 .2883  C  K b 
ZT s
ps
v
73
Approfondimento
Dimensionamento della valvola
Calcolo dell’area dell’orifizio di efflusso
A = area orifizio (mm2)
Qc = portata certificata da scaricare (kg/h)
ps = pressione di scarico (bar a)
d = diametro orifizio (mm)
Z = fattore di comprimibilità
Ts = temperatura assoluta di scarico (K)
C = coefficiente d'espansione
M = peso molecolare (kg/kmole)
K = coefficiente d'efflusso
Ks = coefficiente di riduzione (coefficiente di
sicurezza)
Ks = 0.9
Norma ISO 4126-1
Norma ISO 4126-2
Q c  Ks  K  C  ps  A 
M
Z  Ts
Z  Ts
Q
M
A
Ks  K  C  ps
74
Approfondimento
Dimensionamento della valvola
Calcolo dell’area dell’orifizio di efflusso
ps = pressione di scarico (bar a)
∆ps = sovrapressione (bar a)

ps 


p s  p t   p s  p t 1 
pt 

75
Approfondimento
Dimensionamento della valvola
Calcolo dell’area dell’orifizio di efflusso
C = coefficiente di espansione
k = esponente della trasformazione
isoentropica
Impossibile v isualizzare l'immagine.
 2 
C  3 .948 k  

 k  1
k 1
k 1
76
Approfondimento
Determinazione del fattore di comprimibilità Z
Ogni gas è caratterizzato da un punto critico
identificato da un valore di temperatura (temperatura
critica) e pressione (pressione critica).
Al di sopra della temperatura critica, per quanto
aumenti la pressione è impossibile liquefare il gas.
La pressione critica è la pressione alla quale è
possibile far liquefare un gas che si trova alla
temperatura critica
77
Approfondimento
Dimensionamento della valvola
Gas in condizioni subcritiche
pb= contropressione allo scarico
ps = pressione di scarico
Condizioni
supercritiche
Condizioni
subcritiche
pb  2 


ps  k  1 
k
k 1
pb  2 


ps  k  1 
k
k 1
Z  Ts
Q
M
A 
Ks  K  C  ps  Kb
78
Approfondimento
Determinazione coefficiente Kb
79
Impianto idrogeno
Fine Approfondimento
80
Impianto idrogeno
Esercizio: dimensionamento valvola di sicurezza
Dati di progetto
Tipo di fluido: Idrogeno
Q = 85 kg/h (portata da scaricare)
pt = 6,5 bar a (pressione di taratura)
Ts = 40°C = 313,15 K (temperatura di scarico)
pc = 1 bar a (contropressione allo scarico)
∆ps = 10%pt = 0,6 bar a (sovrapressione)
81
Impianto idrogeno
Esercizio: dimensionamento valvola di sicurezza
Determinazione caratteristiche del gas
M = 2 kg/kmole (peso molecolare)
k = 1.41
C = 2.71 (coefficiente di espansione da tabella)
Z = 1 (coefficiente di comprimibilità – valore non noto)
Determinazione pressione di scarico del gas ps
 ps 
 0.65 
  6.5  1 
ps  pt  ps  pt 1 
  6.6 bar a
p
t
6




82
Impianto idrogeno
Esercizio: dimensionamento valvola di sicurezza
Condizioni di scarico
pb= contropressione allo scarico =1 bar a
ps = pressione di scarico = 6,6 bar a
pb  2 


ps  k  1 
k
k 1
1 bar a
 2 
 0.152  

6.6 bar a
 1.41  1 
1.41
1.411
 0.526
Condizioni supercritiche
Coefficiente di efflusso K
K = 0.95 (dichiarato dal costruttore)
Coefficiente di riduzione Ks
Ks = 0.9
83
Impianto idrogeno
Esercizio: dimensionamento valvola di sicurezza
• Area d’efflusso A
kg 1  313.15 K

kg
Z  Ts
h
2
Q
kmole
M 
A
 69.55 mm 2
Ks  K  C  ps 0.95  0.9  2.71  6.6 bar a
85
84
Impianto idrogeno
SEZIONE COMPRESSORE: P&ID SEMPLIFICATO
Il riduttore di pressione riduce la pressione in
aspirazione al compressore al valore di 1,5
barg, garantendo un valore di pressione
costante in ingresso al compressore.
Nel caso la pressione superi tale valore il
sistema di controllo manda il compressore in
shutdown.
Come nella sezione precedente, i tre
strumenti sono necessari per
conoscere la portata massica elaborata
dal compressore
85
Impianto idrogeno
Pressure Regulator
Technical data:
•
Operative inlet pressure: 5 barg
•
Set Outlet pressure: 1,5 barg
•
Cv: 0.02
•
Maximum fluid temperature: 80 °C
•
Weight: 1.8 kg
•
Ports: 1/4’’ female NPT
86
Impianto idrogeno
Pressure Regulator: Calcolo Cv richiesto
•
Per i gas occorre distinguere due casi:
•
Caso 1. Pressione assoluta a valle superiore al 50% della pressione assoluta di ingresso nella valvola
380 ∆
•
Caso 2. Pressione assoluta a valle inferiore al 50% della pressione assoluta di ingresso nella valvola (efflusso critico)
205
Dove:
•
è la portata in Nm3/h
è la pressione assoluta del gas all’ingresso della valvola in bar
•
è la pressione assoluta del gas a valle della valvola in bar
•
•
d è il peso specifico del gas relativo all’aria (aria = 1; idrogeno = 0,089)
•
T è la temperatura assoluta (t + 273) in °C
•
∆ è la pressione differenziale in bar
Nel caso esaminato:
2,5
6
,
,
,
0,42
Caso 2
Si sceglie da catalogo la valvola con Cv immediatamente
superiore a quanto calcolato pari a 0,02
87
Impianto idrogeno
Trasmettitore di temperatura TT
Technical data:
•
Temperature transmitter
•
Sensor: Thermocouple
•
Range: -250 to +400 °C
•
Communication: 4-20 mA
•
ATEX
Available thermocouples types
88
Impianto idrogeno
Trasmettitore di pressione PT
Technical data:
•
Pressure transmitter
•
Range: [0; 10.34] bar
•
Temperature limits: -40 °C to +85 °C
•
Communication Protocol: 4-20 mA
•
Material: 316 SS
•
ATEX II 1G Ex ia IIC T5
89
Impianto idrogeno
Trasmettitore di differenza di pressione
Technical data:
•
Pressure difference transmitter
•
Material: 316 SS
•
Range: [0; 62,3] mbar
•
Temperature limits: -40 °C to +85 °C
•
Communication Protocol: 4-20 mA
•
ATEX II 2G Ex d IIC
90
Impianto idrogeno
SEZIONE COMPRESSORE: P&ID SEMPLIFICATO
Principal data
Model
Principal data
MKZ 185-5
∆
, [°C]
20-30
Suction capacity, [Nm3/h]
1,0
Cooling fluid
Discharge pressure, [bar]
35
Cooling flowrate, [lt/h]
100
Suction pressure, [bar]
2,5
Leakage, [mbar lt/s]
10
Water
91
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: dati principali
Il compressore installato in HENERGIA è un compressore volumetrico a membrana
prodotto da Hofer che garantisce una tenuta ermetica rispetto all’ambiente esterno; ciò
permette di comprimere diversi gas pericolosi, fra cui l’idrogeno.
Technical data
Model
MKZ 185-5
Fluid
Idrogeno
Suction capacity, [N
/
1
Suction pressure, [bara]
2,5
Suction temperature, [°C]
20
Discharge pressure, [bara]
35
Pressure ratio
14
Leakage, [mbar l/s]
10
Mechanical power demand, [kW]
1,8
92
Impianto idrogeno
Elementi di approfondimento sul
compressore idrogeno
Da slide 85 a slide 91
93
Approfondimento
Compressori: Volumetrici vs Dinamici
I compressori sono macchine operatrici che agiscono su fluidi
comprimibili aumentandone la pressione
Volumetrici
Dinamici
• rotativi
• alternativi
• centrifughi
• assiali
La compressione avviene
per riduzione del volume in
cui è contenuto il fluido
all’interno della macchina
Alla portata di fluido
viene conferita energia
cinetica che viene
convertita in energia di
pressione
94
Approfondimento
Compressori: Volumetrici vs Dinamici
Compressore
a pistoni
Compressori volumetrici
Compressore
a palette
Compressore
a lobi
Compressore
a vite
Compressori dinamici
Compressore
centrifugo
Compressore
assiale
95
Approfondimento
Compressori: Scelta della tipologia di compressore
10000
pu (bar)
1000
Volumetrici
alternativi
100
Volumetrici
rotativi
10
1
1
0
100
∆p = pu-pi = salto di pressione
Q = portata volumetrica
Dinamici rotativi
1000
Q
10000
(m3/h)
100000
1000000
pu = pressione del fluido in mandata dal
compressore
pi = pressione del fluido in aspirazione al
compressore
96
Approfondimento
Compressore idrogeno: Funzionamento
Un pistone si muove all’interno del cilindro generando la pressione dell’olio per il movimento della
membrana. La membrana si trova all’interno dello spazio compreso fra il coperchio e una piastra forata
montata nella flangia della testa. Entrambe le superfici hanno una forma concava e rappresentano lo spazio
a disposizione per la corsa della membrana
1. Aspirazione. Durante l’operazione di aspirazione, la
membrana si sposta verso la piastra forata a causa
della riduzione della pressione dell’olio nel cilindro e la
valvola di aspirazione si apre. L’aumento di volume a
disposizione provocato dallo spostamento della
membrana crea una riduzione di pressione che
consente di richiamare gas attraverso la valvola di
aspirazione all’interno della camera.
97
Approfondimento
Compressore idrogeno: Funzionamento
2. Compressione. Terminata la fase di aspirazione, la valvola di aspirazione si chiude e si apre la valvola
di scarico. Il movimento del pistone provoca un aumento di pressione dell’olio che, passando attraverso
la flangia forata, sposta la membrana verso il coperchio. Riducendosi il volume a disposizione, la
pressione del gas che viene scaricato aumenta progressivamente.
98
Approfondimento
Compressore idrogeno: Funzionamento
Il volume di olio nel cilindro deve essere garantito per tutta la vita di progetto del compressore per evitare
malfunzionamenti durante il funzionamento.
Non essendo note con precisione le perdite che si verificano fra le tenute meccaniche del pistone, la
soluzione che si adatta è quella di compensare ad ogni corsa completa del pistone le perdite di olio
attraverso una pompa di compensazione, calettata per motivi di sicurezza all’albero del compressore.
Per evitare fenomeni di ritorno nel momento in cui nel cilindro è raggiunta un’elevata pressione, viene
inserita una valvola di non ritorno.
Pompa di
compensazione
Valvola di
non ritorno
99
Approfondimento
Compressore idrogeno: Funzionamento
Poiché la portata rifornita dalla pompa è superiore a quella strettamente necessaria dovuta alle perdite di
tenuta, nella fase di compressione si potrebbe verificare una sovrappressione eccessiva che
danneggerebbe i componenti del compressore.
Per evitare questa situazione viene inserita una overflow valve nella parte superiore del compressore che
scarica la sovrappressione che si verifica nella fase di compressione.
Il valore di set può essere tarato manualmente ad un valore pari circa al 10 % superiore rispetto alla
pressione di mandata del gas, andando a settare la molla di contrasto
Overflow
valve
100
Impianto idrogeno
Fine Approfondimento
101
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: P&ID
Circuito idrogeno
Circuito acqua
Circuito olio
102
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: P&ID circuito gas
103
Impianto idrogeno
Valvola a sfera di intercettazione HV1
La valvola di intercettazione HV1 garantisce l’intercettazione del flusso di idrogeno al compressore in caso
di fermo impianto dovuto a manutenzione programmata o ad una riparazione a seguito di un guasto.
Materials list
1
Body
2
Body cap
3
Ball
4
Shaft
5
Packing
6
Seat rings
7
Wrench
8
Wrench nut
104
Impianto idrogeno
Filter F1
Il filtro in aspirazione al compressore garantisce che il fluido elaborato non contenga particelle che
potrebbero danneggiarlo.
Technical data:
•
Filter element designator: 10 micron
•
Effective filtration area: 0,0011 m2
105
Impianto idrogeno
Filter F1
Filter element designator: 10 micron
Effective filtration area: 0,0011 m2
,
909
/
Hydrogen flowrate: 1Nm3/h
106
Impianto idrogeno
Pressure Gauge P1
Il manometro P1 inserito in aspirazione al compressore serve per garantire all’operatore il monitoraggio
visivo della pressione in aspirazione al compressore.
Technical data:
•
Pressure range: 0-6 bar
•
Environment temperature: -40 to +60 °C (without liquid filling); -20 to +60 (gauges wiyh glycerine – per
applicazioni caratterizzate da vibrazioni o carichi dinamici)
•
Fluid temperature: +200 (without liquid filling); +100 °C (with liquid filling)
•
Temperature effect: max. +/- 0,4%/10K of full scale
•
Ingress protection: IP 65
107
Impianto idrogeno
Pressure switch PS1
Il pressure switch è un interruttore che si apre o si chiude in funzione della misura monitorata e della pressione di set point
definita.
Il pressure switch PS2 viene inserito in aspirazione al compressore e serve per evitare situazioni di funzionamento
anomalo nel caso di pressione in aspirazione al di sotto di un certo valore. Nel caso in cui la pressione scenda al di sotto
del valore di set imposto di 0,5 barg il pressure switch assicura lo spegnimento del compressore.
È possibile modificare il set point del pressure switch andando a tarare la molla di contrasto presente nello strumento.
Technical data:
•
Diaphragm pressur switch
•
Pressure range: -1 to +5 bar
•
Environment temperature range: -40 to +85 °C
•
Fluid temperature range: -30 to +85 °C
•
Supply voltage: 24V
•
Material: 316 Stainless steel
•
Ingress Protection: IP 65
•
ATEX II 2G Ex d II C
108
Impianto idrogeno
Pressure switch PS1
109
Impianto idrogeno
Elementi di approfondimento sulle
caratteristiche dei trasduttori
Da slide 103 a slide 104
110
Approfondimento
Caratteristiche dei trasduttori
Il corretto esercizio di un impianto industriale non può rinunciare alla corretta scelta dei componenti che sono presenti e che
sono necessari al controllo ed al monitoraggio del processo industriale di interesse (valvole e strumenti di misura).
In particolare per i trasduttori occorre tenere conto di alcune caratteristiche indicate nei datasheets dei costruttori nel
momento della loro scelta. Una scelta sbagliata potrebbe comportare il comportamento erroneo o il fallimento del sistema
di controllo.
1.
Range di funzionamento: è l’intervallo di valori che può assumere la grandezza che deve essere trasdotta.
2.
Tempo di risposta: è il tempo impiegato dal trasduttore per adeguare la rilevazione della grandezza in ingresso al
nuovo valore che assume quando tale grandezza subisce una variazione.
3.
Fondoscala: è il valore massimo della grandezza misurata che lo strumento può misurare.
4.
Risoluzione: è la minima variazione della grandezza in uscita che il trasduttore può fornire a fronte di una variazione
della grandezza in ingresso rispetto alla massima escursione che la stessa grandezza può assumere in uscita
∆
∆
5.
Sensibilità: è il legame che esiste tra la variazione ∆
,
della grandezza in ingresso e la variazione ∆
della
grandezza in uscita.
6.
Campo di misura: è la differenza fra valore massimo e minimo misurabili dallo strumento.
111
Approfondimento
Caratteristiche dei trasduttori
7.
Span: è la differenza fra il valore massimo e minimo da noi impostati.
8.
Isteresi: rappresenta il fatto che lo stesso valore della variabile misurata venga letto in maniera differente a seconda
che la variabile stia crescendo o diminuendo.
Misura
Variabile
9.
Offset di uscita: è il valore fornito dallo strumento quando la variabile controllata è nulla.
10. Ripetibilità: è la capacità dello strumento di dare in uscita lo stesso valore rispetto alla variabile in ingresso in
condizioni particolarmente gravose.
11. Precisione: è rappresentativo dell’incidenza che l’intervallo di confidenza ha nei confronti della misura stessa.
12. Range ability o Turndown: è il rapporto tra fondo scala e il minore valore dello span per il quale sono validi i dati di
accuratezza e precisione.
13. Classe dello strumento: è il rapporto tra l’errore massimo assoluto che il costruttore garantisce per quello strumento
rispetto al valore di fondoscala. Uno strumento di classe 1 significa che commette al massimo un errore del 1% rispetto
al fondoscala.
112
Impianto idrogeno
Fine Approfondimento
113
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: P&ID circuito gas
114
Impianto idrogeno
Condizioni in uscita dal compressore
Le condizioni del fluido in uscita dal compressore sono fondamentali per scegliere correttamente gli
strumenti sulla linea a valle dello stesso:
•
Portata: 1Nm^3/h
•
Pressione: 35 bar
Per calcolare la temperatura occorre conoscere alcuni importanti parametri fra cui il rendimento di
compressione del compressore,
0.7 :
293.15
35
2.5
,
.
.
877.39
604.24°
115
Impianto idrogeno
Condizioni in uscita dal compressore
All’interno del compressore si ha un primo raffreddamento ad acqua che riduce la temperatura del gas in
uscita dal compressore:
1
/
14,304 /
,
604,24°
,
,
36,0°
19,5°
,
,
20,0°
La portata di acqua da inviare al compressore per il raffreddamento è:
G
G
c
,
T
,
T
,
,
T
T
,
,
0,083
3600
14304
4186
604,24
20,0
19,5
36,0
0,0895
kg
s
5,37l/min
116
Impianto idrogeno
Temperature Switch TS1
Il temperature switch come il pressure switch è un interruttore che si apre o si chiude in funzione della
misura monitorata e della temperatura di set point definita.
Il temperature switch TS1 viene inserito nella mandata del compressore e serve per inviare al sistema di
controllo un allarme di altissima temperatura (200°C) e per provvedere allo spegnimento del compressore.
•
Range di temperatura: 160 – 315 °C
•
Temperatura ambiente: -40 °C to +75°C
•
Voltage supply: 24V
•
ATEX 2 IIG Ex d IIC T6
117
Impianto idrogeno
Scambiatore di calore W1
Per garantire la corretta temperatura in ingresso alle fuel cell è necessario effettuare un ulteriore
raffreddamento a valle del compressore che asporti parte della potenza termica derivante dal processo di
compressione. Si adotta uno scambiatore di calore acqua-gas.
118
Impianto idrogeno
Raffreddamento tramite scambiatore
All’interno del compressore si ha un primo raffreddamento ad acqua che riduce la temperatura del gas in
uscita dal compressore:
1
/
14,304 /
,
36,0°
,
,
21,0°
19,5°
,
,
19,7°
La portata di acqua da inviare allo scambiatore per il raffreddamento è:
G
G
c
,
T
,
T
,
,
T
T
,
,
0,083
14304
36 21,0
3600
19,7 19,5
4186
0,006
kg
s
0,35l/min
119
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: P&ID circuito gas
120
Impianto idrogeno
Temperature gauge T2
L’indicatore di temperatura T2 installato a valle dello scambiatore di calore garantisce all’operatore di poter
osservare direttamente sul processo la temperatura del gas idrogeno in uscita dallo skid compressore.
Technical data:
•
Range di temperatura: 0-80 °C
•
Material: Stainless steel
•
Dial Diameter: 80 mm
121
Impianto idrogeno
Non return valve RV1
Per evitare che il gas, uscito dallo skid compressore, possa refluire all’indietro viene inserita una valvola di non ritorno RV1
DN6 PN 500.
122
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: P&ID circuito gas
123
Impianto idrogeno
Safety Valve SV1
Per evitare che un aumento anomalo della pressione del gas danneggi i componenti presenti nel circuito in
aspirazione al compressore viene inserita una valvola di sicurezza SV1 tarata a 5 barg.
Technical data:
•
Working temperature: -196 to +150 °C
•
Nominal size: 1/2’’
•
Orifizio: 6.0
•
Set pressure range: 1.0 to 55.0 bar
•
Height, H: 70 mm
•
Lenght, L1: 17 mm
•
Lenght, L2: 13 mm
•
Weight: 0.22 kg
•
Coefficient of discharge from 3.0 bar: 0.42
124
Impianto idrogeno
Safety Valve SV1
Technical data:
•
Set Pressure: 5 barg
•
Nominal size: 1/2’’
•
Orifice: 6.0
•
Coefficient of discharge from 3.0 bar: 0.42
Il valore trovato in tabella rappresenta la capacità di
scarico in m3/h considerando come fluido aria a 0°C
e 1013,25 mbar.
125
Impianto idrogeno
Pressure Gauge P5
Technical data:
•
Pressure range: 0-60 bar
•
Environment temperature range: -40 to +60 °C (without
liquid filling); -20 to +60 (gauges wiyh glycerine – per
applicazioni caratterizzate da vibrazioni nella linea o
carichi dinamici)
•
Max. fluid temperature: +200 (without liquid filling); +100
°C (with liquid filling)
•
Temperature effect: max. +/- 0,4%/10K of full scale
•
Ingress protection: IP 65
126
Impianto idrogeno
Pressure switch PS6
Il pressure switch è un interruttore che viene aperto o chiuso in funzione della misura monitorata e della
pressione di set point definita.
Il pressure switch PS6 viene inserito a valle del compressore. Il pressure switch spegne il compressore
quando il fluido raggiunge la pressione di 37 barg.
Technical data:
•
Pressure range: 3,4-82 bar
•
Accuracy: +/- 1% del range di pressione definito
•
Temperature range: -40 to +75 °C
•
ATEX II 2G Ex d II C
È possibile modificare il set point del pressure switch andando a
tarare la molla di contrasto presente nello strumento.
127
Impianto idrogeno
Safety Valve SV2
Per evitare che un aumento anomalo della pressione del gas danneggi i componenti presenti nel circuito a
valle al compressore viene inserita una valvola di sicurezza, SV2, tarata a 40 barg.
La valvola di sicurezza SV2 si attiva nel caso in cui l’intervento del pressure switch PS6 non ha evitato
l’aumento di pressione.
128
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: P&ID circuito gas
L’inserimento di azoto nelle linee principali per la pulizia del circuito garantisce di non raggiungere condizioni
di pericolo nel caso di fermo impianto per manutenzione e/o riparazioni, essendo l’azoto un gas inerte.
129
Impianto idrogeno
Plug valve HV5
La valvola HV5 consente l’immissione in linea di azoto per le operazioni
di pulizia e flussaggio necessarie.
Technical data:
•
Plug valve
•
Size: 12 mm
•
Cv: 4,6
•
Material: 316 SS
130
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: Circuito olio
131
Impianto idrogeno
Level switch LS2
Il level switch LS2 interviene, spegnendo il compressore nel caso in cui il livello all’interno del serbatoio sia
al di sotto di un valore definito.
Il level switch LS2 sfrutta un sensore capacitivo che riconduce le variazioni della capacità di alla variazione
del livello di liquido.
Technical data:
•
Rated operating distance: 5 mm
•
Nominal voltage: 8.2 V
•
Environment temperature: -25 to +70 °C
•
ATEX IG Ex ia IIC
132
Impianto idrogeno
Level Indicator LI1
L’indicatore di livello serve per fornire all’operatore che si trova in campo un’informazione immediata
relativamente al quantitativo di olio presente nel serbatoio.
Technical data:
•
Fluid: Oil
•
Nominal pressure: max 0.5 bar
•
Fluid temperature: -20 to +80 °C
•
Mounted: vertically on the tank
•
Weight: 0.19 kg
•
Environment temperature: -20 to +80 °C
133
Impianto idrogeno
Flow Indicator FI1
L’indicatore di flusso permette all’operatore in campo di verificare visivamente la presenza del flusso di olio.
Technical data:
•
Fluid: Oil
•
Nominal pressure: 6 bar
•
Max flowrate: 40 l/min
•
Material: brass
•
Weight: 0.20 kg
134
Impianto idrogeno
Compressore idrogeno: Circuito Acqua
135
Impianto idrogeno
Flow Switch FS2
Il flow switch viene inserito per arrestare il compressore nel caso in cui la portata di acqua di raffreddamento
sia al di sotto di un certo valore di progetto.
Technical data:
•
Fluid: Water
•
Nominal pressure: 200 bar
•
Max flowrate: 20 l/min
•
Max fluid temperature: 120 °C
•
Voltage supply:
•
Average pressure losses: 0.5 bar at Gmax
•
Material: brass
•
Weight: 1.3 kg
•
ATEX II 1G Ex ia IIC
136
Impianto idrogeno
SEZIONE COMPRESSORE: SEZIONE ACCUMULO
137
Impianto idrogeno
Elettrovalvole VE
Techhnical Data:
•
Solenoid valve
•
Normally closed and Normally Open
•
Material: brass
•
Response Time: 25 ms
•
Pressure Range: 0-64 bar
•
Kv: 2.5
•
Electrical voltage: 24 Vdc
•
Electrical power: 240W
•
ATEX II 3 GD Ex nA IIC T3
138
Impianto idrogeno
Serbatoio
Descrizione
Quantità
Volume, [l]
80
Pressione di progetto, [barg]
50
Pressione di esercizio, [barg]
35
Pressione di prova idraulica, [barg]
1.5 x 7 = 10.38
Temperatura di esercizio, [°C]
-5 / 40°C
Temperatura di progetto, [°C]
-20/+100
Peso, [kg]
110
Materiale
AISI 316 L
139
Impianto idrogeno
Safety relief valve
Technical data:
•
Set Pressure: 55 barg
•
Coefficient of discharge: 0.95
•
Overpressure: 10%
140
Impianto idrogeno
SEZIONE FUELL CELL: P&ID
La misura della portata in massa è ridondata tramite
l’inserimento di un trasduttore massico di tipo Coriolis.
La misura effettuata serve come confronto rispetto a
quella effettuata con i tre strumenti, PT, TT e DPT
Sulla linea di alimentazione della fuel cell sono posti due riduttori di pressioni per ottenere la pressione
ottimale di alimentazione alla fuel cell.
In tal modo è possibile adottare sulla linea di alimentazione alle fuel cell strumentazione meno costosa e
più semplice.
A valle di ciascun riduttore è inserita a protezione di tutta la componentistica una valvola di sicurezza
141
Impianto idrogeno
Pressure Regulator
Technical data:
•
Maximum inlet pressure: 68,9 bar
•
Inlet pressure: 35 bar
•
Outlet pressure: 3,5 bar
•
Pressure control range: 0 to 6.8 bar
•
Flow coefficiente: 0.02
•
Maximum fluid temperature: 80 °C
•
Weight: 1.8 kg
142
Descrizione generale dell’impianto
Safety relief valve
Technical data:
•
Low pressure relief valve
•
Set Pressure: 5 bar
La set pressure di una valvola di sicurezza è il
valore di pressione al quale la valvola inizia a
scaricare.
143
Impianto idrogeno
Safety release valve
Una buona regola pratica per una preliminare scelta di una valvola di sicurezza è di definire il set nel seguente modo:
0.9
5
0.9
4,5
Infatti, nonostante la valvola di sicurezza sia aperta, la pressione nel circuito in fase di scarico potrebbe raggiungere un valore pari al 110 %
rispetto al valore di set point della valvola.
Occorre tuttavia verificare la bontà della scelta, verificando le reali capacità di scarico della valvola, sulla base delle caratteristiche date dal
costruttore.
144
Impianto idrogeno
Trasmettitore di portata ad effetto Coriolis
Technical data:
•
Portata massima misurabile: 6 Nm3/h
•
Accuratezza: +/- 0,35%
•
Ripetibilità: +/- 0,20%
•
Tensione di alimentazione: da 18 a 100 Vcc
•
Comunicazione: 4-20 mA
•
ATEX II 2G Exd IIC
145
Impianto idrogeno
Pressure Regulator
Technical data:
•
Maximum inlet pressure: 6,8 bar
•
Inlet pressure: 3,5 bar
•
Outlet pressure: 0,5 bar
•
Pressure control range: 0 to 0,68 bar
•
Flow coefficiente: 0.02
•
Maximum fluid temperature: 80 °C
•
Weight: 1.8 kg
146
Impianto idrogeno
Pressure switch
Technical data:
•
Pressure range: 0,5 to 7,5 bar
•
Flow connection: 1/2’’ NPT
•
Ingress Protection: IP 65
•
ATEX II 1GD EX ia IIC
147
Impianto idrogeno
SEZIONE FUELL CELL: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che
converte direttamente l’energia di un combustibile in elettricità e
calore, senza passare attraverso cicli termici.
Una cella è composta da due elettrodi separati da un elettrolita.
Le reazione che avvengono agli elettrodi consumano idrogeno e
ossigeno producendo acqua e corrente nel circuito esterno.
L’elettrolita chiude il circuito elettrico, facendo passare gli ioni
prodotti da una reazione e consumati dall’altra.
→
à
148
Impianto idrogeno
SEZIONE FUELL CELL: DATI DI FUNZIONAMENTO
MANUFACTURER: Reli-On
Modello: T-1000
Tipologia: PEM FC
Tipologia
PEMFC
Elettrolita
Membrana
polimerica
Temperatura ottimale,
[°C]
50-80
Pressione, [bar]
1-3
Taglia, [kW]
1-250
Rendimento
30-40%
Densità di potenza,
[mW/cm2]
700
Combustibile
Idrogeno
Max. impurezze
CO<10 ppm
149
Impianto idrogeno
SEZIONE FUELL CELL: EFFICIENZA
,
, ,
, %
150
Impianto idrogeno
SEZIONE FUELL CELL: Possibili operazioni
Una volta avviata la fuel cell, aprendo l’elettrovalvola di intercettazione presente nel circuito, si deve
scegliere attraverso il quadro delle batterie quale batterie caricare durante la fase operativa.
Una volta che una batteria è completamente carica, l’energia accumulata viene immessa in rete
intervenendo sull’inverter dedicato.
Il sistema è stato progettato in maniera da andare in blocco
qualora l’operatore richieda una modalità di funzionamento
non permessa (per esempio l’accensione di due fuel cell
contemporaneamente). In questo caso, per poter far ripartire
l’impianto, occorre tornare nelle condizioni di funzionamento
permesse e attivare manualmente il funzionamento mediante
il pulsante di accensione posto nel quadro delle fuel cell.
151
Impianto idrogeno
SEZIONE FUELL CELL: Emergenze
In caso di emergenza è presente il pulsante di emergenza delle fuel cell, così come il quadro di sgancio di
elettrolizzatore e compressore. In tal modo l’operatore può intervenire in caso di situazione pericolosa
arrestando l’impianto.
152
Agenda
Descrizione generale dell’impianto HENERGIA
Impianti fotovoltaici
Impianto idrogeno
Classificazione ATEX: Applicazione
153
Classificazione Atex: applicazione
LA NORMATIVA ATEX (ATmosphères EXplosibles): Direttive Europee
ATEX è il nome convenzionale che raggruppa due direttive dell’Unione Europea:
1. 94/9/CE per la regolamentazione di apparecchiature destinate all’impiego in zone a rischio di
esplosione – la direttiva si rivolge ai costruttori di attrezzature destinate all’impiego in aree
con atmosfera potenzialmente esplosive e si manifesta con l’obbligo di certificazione di
questi prodotti
2. 99/92/CE per la sicurezza e la salute dei lavoratori in atmosfere esplosive – si applica negli
ambienti a rischio di esplosione, dove impianti ed attrezzatture certificate sono messe in
esercizio ed è quindi rivolta agli utilizzatori
La direttiva 99/92/CE è relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della
sicurezza e della salute dei lavoratori che possono essere esposti al rischio di atmosfere
esplosive definite come «miscele con l’aria, a condizioni atmosferiche, di sostanze infiammabili
allo stato di gas, vapori, nebbie o polveri in cui, dopo accensione la combustione si propaga
all’insieme della miscela incombusta».
La direttiva, recepita in Italia tramite il D.Lgs 233/03 e successivo D.Lgs. 9/4/2008, definisce che
il datore di lavoro ripartisca in zone le aree in cui possono formarsi atmosfere esplosive
154
Classificazione Atex: applicazione
LA NORMATIVA ATEX (ATmosphères EXplosibles): Classificazione in zone
La ripartizione in zone delle aree in cui possono formarsi atmosfere esplosive segue la
norma tecnica EN 60079-10.
La procedura da seguire è la seguente:
• Individuazione delle sorgenti di emissione (SE)
• Assegnazione del grado di emissione alle sorgenti
• Determinazione della portata di emissione del fluido analizzato (gas, vapore, liquido
bassobollente o altobollente)
• Calcolo del volume ipotetico di atmosfera potenzialmente esplosiva (Vz) intorno ad ogni SE
• Calcolo della concentrazione media volumica (Xm%)
• Valutazione del tempo di permanenza
• Determinazione del tipo di zona individuata
• Determinazione della forma di zona pericolosa
• Determinazione dell’estensione della zona pericolosa
• Inviluppo delle diverse zone pericolose
155
Classificazione Atex: applicazione
Aree da classificare in HENERGIA
Nella sezione idrogeno di HENERGIA occorre classificare le zone in cui sono installati i diversi componenti
in maniera da adottare componenti idonei e certificati dal costruttore.
Il metodo adottato è quello riportato nella Normativa IEC 60079-10.
In particolare occorre analizzare tre zone:
•
Container 1: Locale di produzione e utilizzo idrogeno (container 2) che presenta: #1 elettrolizzatore
(1Nm3/h), #3 fuel cell (1KW), tubing, valvole di intercettazione e strumentazione, impianto per la
ventilazione del locale.
•
Container 2: #1 compressore idrogeno, tubazioni, valvole di intercettazione, strumentazione, impianto
per la ventilazione.
•
Area esterna: #1 serbatoio (83 litri e pressione 35 bar), #1 serbatoio (270 litri e pressione 5 bar), valvole
e giunzioni filettate per il tubing di trasporto dell’idrogeno, #1 bombola contenente idrogeno (14 litri e
pressione 200 bar) con riduttore a 3.5 bar, sfiati idrogeno e ossigeno.
156
Classificazione Atex: applicazione
Verifica del sistemi di ventilazione
Nei due container viene garantita ventilazione artificiale mediante un sistema di ventilazione dedicato; in
particolare si ha:
•
Container 1: sono presenti due impianti di estrazione in parallelo (ridondanza passiva) caratterizzati da
una portata di 2000 m3/h ciascuno.
•
Container 2: sono presenti due impianti di estrazione in parallelo (ridondanza passiva) caratterizzati da
una portata di 4000 m3/h ciascuno.
•
Area esterna: nell’ambiente esterno si considera ventilazione naturale.
157
Classificazione Atex: applicazione
1. Individuazione delle sorgenti di emissione
Si considerano le seguenti sorgenti di emissione:
Elenco delle sorgenti di emissione
Cod.
Descrizione
Ubicazione
SE 01
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di
guasto su elementi di giunzione presenti sulla tubazione in
uscita dall’elettrolizzatore
Locale produzione
ed utilizzo
SE 02
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di
guasto su elementi di giunzione presenti sulla tubazione in
ingresso a monte del riduttore di pressione
Locale produzione
ed utilizzo
SE 03
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di
guasto su elementi di giunzione presenti sulla tubazione in
ingresso a valle del riduttore di pressione
Locale produzione
ed utilizzo
SE 04
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di
guasto su elementi di giunzione presenti sulla tubazione in
uscita dal compressore
Locale
compressione
SE 05
Emissione di idrogeno in area esterna per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione
Area esterna
SE 06
Emissione di idrogeno in area esterna da valvola di sfiato
Area esterna
158
Descrizione generale dell’impianto
2. Assegnazione del grado di emissione
I gradi delle emissioni delle singole SE sono stabiliti sulla base della CEI EN 60079-10; vengono
qui elencati in ordine decrescente di probabilità (frequenza e durata) di emissione della
sostanza infiammabile nell’ambiente:
• Emissione di grado continuo: emissione continua o per lunghi periodi
• Emissione di grado primo: emissione periodica o occasionale durante il funzionamento
normale
• Emissione di grado secondo: emissione non prevista durante il normale funzionamento o
che avviene solo raramente o per brevi periodi.
159
Classificazione Atex: applicazione
2. Assegnazione del grado di emissione
Poiché l’emissione di ciascuna sorgente non è prevista ma può avvenire solo raramente durante il
funzionamento, il grado di emissione di ciascuna sorgente è il secondo:
Elenco delle sorgenti di emissione
Cod.
Descrizione
Ubicazione
Grado di
emissione
SE 01
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita
dall’elettrolizzatore
Locale produzione ed
utilizzo
Secondo
SE 02
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a monte del
riduttore di pressione
Locale produzione ed
utilizzo
Secondo
SE 03
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a valle del
riduttore di pressione
Locale produzione ed
utilizzo
Secondo
SE 04
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita dal
compressore
Locale compressione
Secondo
SE 05
Emissione di idrogeno in area esterna per foro di guasto su elementi di
giunzione presenti sulla tubazione
Area esterna
Secondo
SE 06
Emissione di idrogeno in area esterna da valvola di sfiato
Area esterna
Secondo
160
Classificazione Atex: applicazione
3. Determinazione della portata di emissione della sorgente
Per ciascuna sorgente di emissione occorre calcolare la portata di emissione
[kg/s] secondo IEC 60079-
10. Nel caso di emissione di gas in singola fase si applica la seguente:
Dove:
•
è il rapporto fra i calori specifici cp/cv (1,41 per l’idrogeno)
•
è dato da
1⁄
1
•
P è la pressione assoluta del processo in Pa
•
R è la costante universale dei gas, (8314 J/kmolK)
•
T è la temperatura assoluta in K
•
M è la massa molare in kg/kmol
•
C è il coefficiente di efflusso (fornito dal costruttore oppure 0,97 per valvole di sfioro e sicurezza, 0,8 per altro).
•
A è l’area della sorgente di emissione in m2
•
rapporto critico del flusso.
161
Classificazione Atex: applicazione
3. Determinazione della portata di emissione della sorgente
Il calcolo della portata di emissione può essere effettuata nel caso siano note le dimensioni dei fori di
emissione derivanti da guasti; la norma IEC 60079 definisce alcuni valori in funzione dell’elemento che ha
causato la rottura:
162
Classificazione Atex: applicazione
3. Determinazione della portata di emissione della sorgente SE 1
Sorgente SE1 (Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su elementi di giunzione
presenti sulla tubazione in uscita dall’elettrolizzatore):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
/
163
Classificazione Atex: applicazione
2. Determinazione della portata di emissione della sorgente
Riepilogo:
Elenco delle sorgenti di emissione
Cod.
Descrizione
Ubicazione
Portata [kg/s]
SE 01
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita
dall’elettrolizzatore
Locale produzione ed
utilizzo
2,07 x 10^(-5)
SE 02
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a monte del
riduttore di pressione
Locale produzione ed
utilizzo
2,07 x 10^(-5)
SE 03
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a valle del
riduttore di pressione
Locale produzione ed
utilizzo
1,22 x 10^(-5)
SE 04
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita dal
compressore
Locale compressione
4,34 x 10^(-4)
SE 05
Emissione di idrogeno in area esterna per foro di guasto su elementi di
giunzione presenti sulla tubazione
Area esterna
4,34 x 10^(-5)
SE 06
Emissione di idrogeno in area esterna da valvola di sfiato
Area esterna
1,53 x 10^(-5)
164
Classificazione Atex: applicazione
3. Calcolo del volume potenzialmente esplosivo intorno a ciscuna sorgente
Per distanza pericolosa
si definisce la distanza dalla sorgente di emissione a partire dalla quale la
concentrazione dei gas è inferiore a
:
Dove:
•
è la portata emessa in kg/s
•
è il rapporto fra i calori specifici cp/cv (1,41 per l’idrogeno)
•
è dato da
•
1⁄
1
fattore di sicurezza che vale 0,25-0,5 per fonti di emissione continua e 0,5-0,75 per fonti di emissione di secondo
grado
•
LELv è il limite inferiore di esplodibilità in % su vol
•
T è la temperatura assoluta in K
•
M è la massa molare in kg/kmol
•
c è il coefficiente di efflusso (fornito dal costruttore oppure 0,97 per valvole di sfioro e sicurezza, 0,8 per altro).
•
rapporto critico del flusso.
165
Classificazione Atex: applicazione
3. Calcolo del volume potenzialmente esplosivo intorno a SE 1
Sorgente SE1 (Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su elementi di giunzione
presenti sulla tubazione in uscita dall’elettrolizzatore):
,
,
,
La distanza
,
,
,
,
,
,
,
calcolata viene arrotondata alla prima cifra significativa, oppure in caso di evidenti incertezze
di calcolo si moltiplica quanto calcolato per un fattore correttivo pari a 1,2.
166
Classificazione Atex: applicazione
2. Calcolo del volume potenzialmente esplosivo
Riepilogo:
Elenco delle sorgenti di emissione
Cod.
Descrizione
Ubicazione
Distanza
SE 01
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita
dall’elettrolizzatore
Locale produzione ed
utilizzo
76 cm
SE 02
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a monte del
riduttore di pressione
Locale produzione ed
utilizzo
76 cm
SE 03
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a valle del
riduttore di pressione
Locale produzione ed
utilizzo
49 cm
SE 04
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita dal
compressore
Locale compressione
5,80 m
SE 05
Emissione di idrogeno in area esterna per foro di guasto su elementi di
giunzione presenti sulla tubazione
Area esterna
184 cm
SE 06
Emissione di idrogeno in area esterna da valvola di sfiato
Area esterna
58 cm
167
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Grado di ventilazione
Il grado di ventilazione è indicativo della quantità di aria di ventilazione che investe la SE in rapporto alla
quantità di sostanze infiammabili emesse nell’ambiente; tale ventilazione può limitare la presenza di
atmosfera esplosiva o ridurne il tempo di permanenza al cessare dell’emissione.
•
Sono definiti tre gradi di ventilazione:
1. Grado di ventilazione alto (VH): quando la ventilazione è in grado di ridurre la concentrazione in
prossimità della SE in modo praticamente istantaneo, limitando la concentrazione al di sotto del limite
inferiore di esplodibilità (LEL)
2. Grado di ventilazione medio (VM): quando la ventilazione è in grado di controllare la concentrazione,
determinando una zona limitata stabile, sebbene l’emissione sia in corso, e dove l’atmosfera esplosiva
per la presenza di gas non persista eccessivamente dopo l’arresto dell’emissione.
3. Grado di ventilazione basso (VL): quando la ventilazione non è in grado di controllare la concentrazione
mentre avviene l’emissione e/o non può prevenire la persistenza eccessiva di un’atmosfera esplosiva
dopo la fine dell’emissione.
168
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Efficacia di un sistema di ventilazione
L’efficacia di un sistema di ventilazione è tuttavia legato anche alla disponibilità dell’impianto.
•
Si distingue in:
1. Ventilazione buona: quando la ventilazione è presente con continuità
2. Ventilazione adeguata: quando la ventilazione è presente durante il normale funzionamento ma dove
sono ammesse interruzioni poco frequenti e comunque brevi
3. Ventilazione scarsa: quando la ventilazione non è in grado di soddisfare i requisiti per essere
considerata buona o adeguata ma dove comunque non sono previsti interruzione di lunga durata
La quantificazione della portata di ventilazione è determinata per tentativi, ovvero si verifica quale sia la
classificazione risultante per un dato ambiente in certe condizioni di ventilazione. Se la classificazione non è
ritenuta adeguata si aumenta la ventilazione
169
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Grado di ventilazione
Portata di ventilazione minima:
Per ogni sorgente di emissione occorre calcolare la portata di ventilazione minima affinché nel locale non si
raggiunga la concentrazione di esplodibilità:
,
Dove:
•
•
•
•
,
è la portata minima di ventilazione richiesta in m3/s
è la portata di emissione in kg/s
k è un fattore di sicurezza pari a 0,25 per emissioni di primo grado e 0,5 per emissioni di secondo grado
è il limite inferiore di esplodibilità in kg/m3. Per idrogeno 0,003328 kg/m3
170
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Grado di ventilazione
Portata di ventilazione minima:
Si considera la sorgente SE1:
,
,
,
,
171
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Grado di ventilazione
Calcolo del numero di ricambi d’aria:
Dove:
• C è il numero di ricambi orari [#/h]
•
V è il volume considerato
Per il container 1 si ha:
, #
172
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Grado di ventilazione
Valutazione del tempo di persistenza dell’atmosfera esplosiva:
,
Dove:
•
rappresenta l’effettivo ricambio d’aria in prossimità della sorgente
• C è il numero di ricambi orari
•
Xo è la concentrazione iniziale che può essere assunta pari a 1 per semplificare i calcoli
•
F è un parametro che tine conto dell’efficacia della ventilazione e vale 1 nel caso ideale oppure 5 in
presenza di ostacoli
Nel caso di ambienti aperti, in cui non si ha convezione forzata, la Norma propone la seguente correlazione:
,
,
173
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Grado di ventilazione
Valutazione del tempo di persistenza dell’atmosfera esplosiva: esempio SE1
,
,
,
Poiché il volume
,
,
,
, è inferiore al volume del locale (90 m3) ma è maggiore di 0,1 si può considerare un
grado di ventilazione medio per il container 1.
174
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Grado di ventilazione: Riepilogo
Elenco delle sorgenti di emissione
Cod.
Descrizione
Disponibilità impianto
di ventilazione
Grado di
ventilazione
SE 01
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita
dall’elettrolizzatore
Buona
Medio
SE 02
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a monte
del riduttore di pressione
Buona
Medio
SE 03
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a valle del
riduttore di pressione
Buona
Medio
SE 04
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita dal
compressore
Buona
Medio
SE 05
Emissione di idrogeno in area esterna per foro di guasto su elementi
di giunzione presenti sulla tubazione
Buona
Medio
SE 06
Emissione di idrogeno in area esterna da valvola di sfiato
Buona
Medio
175
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Efficacia di ventilazione
Valutazione dell’efficacia del sistema di ventilazione per la sorgente SE1
Poiché la ventilazione nel Container contenente la sorgente SE 1 è continua, per la sorgente SE 1 si può
considerare un’efficacia del sistema di ventilazione buona.
176
Classificazione Atex: applicazione
4. Ventilazione
Efficacia del sistema di ventilazione: Riepilogo
Elenco delle sorgenti di emissione
Cod.
Descrizione
Ubicazione
Efficacia del
sistema di
ventilazione
SE 01
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su elementi
di giunzione presenti sulla tubazione in uscita dall’elettrolizzatore
Locale produzione ed
utilizzo
Buona
SE 02
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su elementi
di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a monte del riduttore di
pressione
Locale produzione ed
utilizzo
Buona
SE 03
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su elementi
di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a valle del riduttore di
pressione
Locale produzione ed
utilizzo
Buona
SE 04
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su elementi
di giunzione presenti sulla tubazione in uscita dal compressore
Locale compressione
Buona
SE 05
Emissione di idrogeno in area esterna per foro di guasto su elementi di
giunzione presenti sulla tubazione
Area esterna
Buona
SE 06
Emissione di idrogeno in area esterna da valvola di sfiato
Area esterna
Buona
177
Classificazione Atex applicazione
5. Classificazione in zone
•
ZONA 0: Luogo in cui un’atmosfera esplosiva costituita da una miscela di aria e sostanze infiammabili
sotto forma di gas, vapore o nebbia è presente continuamente, o per lunghi periodi, o frequentemente.
•
ZONA 1: Luogo in cui è probabile che un’atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e
sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia, si presenti occasionalmente durante il
funzionamento normale.
•
ZONA 2 : Luogo in cui è improbabile che un’atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e
sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia, si presenti durante il normale funzionamento,
ma che, se si presenta, persiste per un breve periodo.
178
Classificazione Atex: applicazione
5. Classificazione in zone
In funzione del grado di emissione e delle caratteristiche del sistema di ventilazione è possibile individuare
la tipologia di zona.
Per esempio, per la sorgente SE 1 si ha:
179
Classificazione Atex: applicazione
5. Classificazione in zone
Riepilogo:
Elenco delle sorgenti di emissione: classificazione in zone
Cod.
Descrizione
Tipo di zona
SE 01
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita
dall’elettrolizzatore
Zona 2
SE 02
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a monte
del riduttore di pressione
Zona 2
SE 03
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in ingresso a valle del
riduttore di pressione
Zona 2
SE 04
Emissione di idrogeno all’interno del locale per foro di guasto su
elementi di giunzione presenti sulla tubazione in uscita dal
compressore
Zona 2
SE 05
Emissione di idrogeno in area esterna per foro di guasto su elementi
di giunzione presenti sulla tubazione
Zona 2
SE 06
Emissione di idrogeno in area esterna da valvola di sfiato
Zona 2
180
Classificazione Atex: applicazione
5. Classificazione in zone: inviluppo delle varie zone
181
Classificazione Atex: applicazione
LA NORMATIVA ATEX (ATmosphères EXplosibles): Componenti utilizzati
Tutte le apparecchiature elettriche e non elettriche che devono essere installati negli
ambienti classificati ATEX, devono essere conformi e certificati secondo la direttiva 94/9/CE
Fra le apparecchiature elettriche:
• Motore compressore
• Elettrovalvole
• Strumenti di misura come trasduttori dotati di alimentazione elettrica
182
Classificazione Atex: applicazione
LA NORMATIVA ATEX (ATmosphères EXplosibles): Targhetta identificativa componenti
Le apparecchiature conformi ATEX devono avere una targhetta d'identificazione che deve indicare, oltre ai dati richiesti dalla norma di
prodotto applicabile, obbligatoriamente per ambienti con presenza di gas:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Costruttore del prodotto
Indirizzo del fabbricante
Designazione del prodotto
Data di costruzione del prodotto (identificazione lotto)
Marchio CE
Marchio per rispetto direttiva 94/9/CE
Gruppo di costruzione elettrica in accordo con la Direttiva 94/9/CE ( I per costruzione destinata a miniere grisou tose; II per atmosfere esplosive
diverse dal gruppo I)
Categoria di appartenenza (1, 2 o 3)
GAS
Zona 0
Zona 1
Zona 2
Categoria 1G
Idonea
Idonea
Idonea
Categoria 2G
-
Idonea
Idonea
Categoria 3G
-
-
Idonea
Ambiente in cui è destinata la costruzione (G prodotto adatto al solo gas, D prodotto adatto alla sola polvere, GD prodotto adatto al gas e alla
polvere)
Conformità alle norme europee armonizzate
Tipo di protezione attuato
Indicazione del gruppo della costruzione elettrica adatta all’installazione in ambienti con presenza di gas in accordo a quanto definito dalla EN
60079-0. Le lettere A,B o C indicano la tipologia di gas presente nell’ambiente in cui il prodotto può essere installato. (C idrogeno)
Indicazione della massima temperatura superficiale che può raggiungere la costruzione elettrica attraverso la classe di temperatura. Può in
alternativa essere indicata la temperatura ambiente dove è possibile installare l’apparecchiatura
Indicazione del livello di protezione del prodotto in presenza di gas. (Ga livello di protezione molto alto, Gb elevato, Gc normale)
Indicazione che il prodotto è un componente ATEX
Presenza di indicazione particolari aggiuntive
183
Classificazione Atex: applicazione
LA NORMATIVA ATEX (ATmosphères EXplosibles): Targhetta identificativa componenti
Esempio
Per ambienti classificati II,
Categoria di appartenenza 2,
Prodotto adatto al gas e alla
polvere
Conformità alle norme europee,
‘’d’’ custodia a prova di
esplosione
Rispetto direttiva
94/9/CE
Prodotto conforme alla presenza
di etilene ed idrogeno, grado di
protezione IP 65 (6:totalmente
protetto contro le polveri –
5:prottetto contro i getti
d’acqua)
Conformità CE
Data fabbricazione
Temperatura ambiente
Tensione di
alimentazione. 24 V
continua
Condizioni del fluido
di processo
Designazione prodotto
Potenza elettrica
Fabbricante e indirizzo
184
Corso di Strumentazione e Automazione Industriale
Modulo 7.2: Esercitazione Impianto Idrogeno
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Dott. Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
185