La misura dell'umidità tramite i sensori Vaisala consente a JTEC Energy di ottenere una conversione più affidabile del calore residuo in energia

Mentre JTEC mette a punto la propria tecnologia di conversione del calore residuo in energia basata sull'idrogeno per l'impiego sul campo, i sensori Vaisala forniscono le misure di umidità e punto di rugiada necessarie per proteggere i componenti critici, semplificare il controllo e rafforzare la fiducia dei clienti.

JTEC Energy ha sviluppato una tecnologia innovativa che converte il calore residuo in energia elettrica con maggiore efficienza e a temperature inferiori rispetto a molti approcci di recupero del calore residuo della concorrenza. Il suo sistema utilizza l'idrogeno come fluido di lavoro, associando una tecnologia di compressione termica a stack elettrochimici che convertono la pressione dell'idrogeno in potenziale elettrico.

Il controllo rigoroso dell'umidità è essenziale in questo processo. Lo stack elettrochimico necessita di idrogeno umidificato per il funzionamento ottimale delle membrane, mentre i reattori a idruri metallici utilizzati nel sottosistema di conversione del calore residuo devono essere protetti da un'eccessiva esposizione all'umidità. Per gestire questo equilibrio, JTEC ha sviluppato un sistema di gestione del gas a circuito chiuso che rimuove e rimette in circolo oltre il 99,99% dell'umidità immessa nel sistema.

Affinché questo sistema funzioni in modo affidabile, JTEC ha bisogno di misurazioni dell'umidità estremamente precise, in condizioni che spaziano dall'alta umidità presente nello stack elettrochimico ai livelli di punto di rugiada molto bassi necessari prima che l'idrogeno possa essere reimmesso in sicurezza nei reattori. Queste misurazioni critiche devono inoltre essere effettuate con sensori adatti all'uso industriale, in grado di funzionare in presenza di idrogeno, di sopportare condizioni dinamiche di pressione e flusso, di integrarsi con i sistemi di controllo e di soddisfare i requisiti previsti per le aree pericolose.

Protezione di un sistema critico in un ambiente impegnativo basato sull'idrogeno

Il sistema di conversione del calore residuo in energia di JTEC combina due sottosistemi con esigenze opposte in termini di umidità: uno stack elettrochimico che richiede umidità per operare in modo efficiente e reattori a idruri metallici che devono essere protetti dall'umidità eccessiva.

Nel sistema JTEC, il calore residuo viene convogliato verso uno dei reattori a idruri metallici presenti nel sottosistema di conversione del calore residuo. Gli idruri metallici funzionano come una spugna per l'idrogeno. Quando vengono raffreddati, assorbono l'idrogeno. Quando vengono riscaldati, rilasciano l'idrogeno a una pressione che dipende dalla temperatura. Il sistema JTEC utilizza questa capacità di generare pressione di idrogeno come parte del processo di conversione del calore residuo in energia elettrica.

Dai reattori a idruri metallici, l'idrogeno ad alta pressione viene quindi indirizzato al modulo dello stack, dove l'espansione attraverso gli innovativi stack elettrochimici di JTEC produce energia elettrica. Dopo questa espansione, l'idrogeno a bassa pressione lascia lo stack e può essere riassorbito in un reattore a idruri metallici separato nel modulo di conversione del calore residuo, dove può essere successivamente riscaldato, pressurizzato e utilizzato nuovamente per generare energia. Sulla base di questo processo, JTEC ha sviluppato una tecnologia di conversione del calore residuo in energia elettrica che fa circolare una singola carica di idrogeno in un circuito completamente chiuso: il sistema non consuma idrogeno e il calore residuo è l'unico "combustibile" di cui JTEC ha bisogno per funzionare.

Durante il passaggio attraverso gli stack, l'idrogeno gassoso viene umidificato per mantenere le membrane degli stack al massimo delle prestazioni. Tuttavia, un'eccessiva esposizione all'acqua può danneggiare gli idruri metallici contribuendo alla formazione di strati di ossido che limitano l'assorbimento di idrogeno e riducono le prestazioni del reattore. Di conseguenza, JTEC deve mantenere un'umidità sufficiente per garantire le prestazioni dello stack e quindi essiccare il flusso di idrogeno prima che raggiunga i reattori.

"In sostanza, la misura dell'umidità è estremamente importante per JTEC poiché il nostro sistema è costituito da due parti che funzionano molto bene, ma che, per operare bene insieme, richiedono un controllo estremamente preciso dell'umidità che passa dall'una all'altra", ha commentato Julian Bell, vicepresidente per l'ingegneria di JTEC Energy.

Prima di standardizzare i propri processi con Vaisala, JTEC utilizzava sensori convenzionali di umidità relativa e punto di rugiada nelle attività di laboratorio e di ricerca e sviluppo. Tali sensori non erano sempre abbastanza robusti per l'applicazione, in particolare quando esposti a eventi di condensa o saturazione.

Nelle applicazioni di ricerca e sviluppo, una sonda di umidità satura poteva costringere gli ingegneri a interrompere un esperimento, asciugare le apparecchiature, pulire il sistema e ripetere l'esperimento. In un caso, un ingegnere ha impiegato tre giorni per completare un esperimento di sei ore perché il sensore si saturava a metà del test e il sistema doveva essere reimpostato.

I rischi derivanti da misurazioni dell'umidità imprecise o inaffidabili sono ancora maggiori in un sistema di produzione, dove il sottosistema di conversione del calore residuo può incidere per oltre un terzo sul costo totale del sistema ed è costantemente attivo mentre il sistema è in funzione. Un'esposizione eccessiva all'umidità può compromettere le prestazioni del sistema del reattore e richiedere interventi di manutenzione offline per il ripristino, comportando tempi di inattività inaccettabili dell'infrastruttura di produzione energetica. 

"La verità è che prima di rivolgerci a Vaisala non avevamo trovato un'opzione di sensori davvero valida", ha spiegato Bell.

Adozione dei sensori Vaisala come standard per la misura dell'umidità e punto di rugiada

JTEC ha testato per la prima volta un sensore del punto di rugiada Vaisala in un progetto interno di ricerca e sviluppo nel 2023. Con il procedere dell'azienda verso la realizzazione del suo primo sistema di produzione e del progetto pilota sul campo, i sensori Vaisala sono diventati l'opzione preferita grazie alle elevate prestazioni a basso punto di rugiada, alla stabilità della taratura, alla flessibilità di integrazione e all'assistenza tecnica.

Nell'architettura del sistema di produzione di JTEC, i sensori Vaisala monitorano tre punti critici di misura dell'umidità.

Il primo riguarda la misura dell'umidità elevata dopo la fase iniziale del sistema di deumidificazione. A quel punto, l'idrogeno ha lasciato lo stack elettrochimico e gran parte dell'umidità che conteneva è già stata rimossa. Per verificare le prestazioni del sistema ed evitare la formazione di condensa nella linea, JTEC utilizza la sonda di umidità relativa e temperatura Vaisala HMP7.

Il secondo consiste nella misura di un basso punto di rugiada dopo le fasi successive di gestione dell'umidità. In questa fase, l'idrogeno deve essere essiccato al valore previsto dalle specifiche prima di rientrare nei reattori a idruri metallici. In questa posizione, JTEC ha adottato un sensore Vaisala DMP370 con marcatura EX. Oltre alla stabilità e all'accuratezza del sensore DMP370, la collaborazione con Vaisala per valutare il passaggio a sensori certificati per l'uso in ambienti pericolosi ha aiutato JTEC a prepararsi alle future esigenze dei clienti in contesti di utilizzo particolarmente impegnativi.

Il terzo punto di misura si trova nel collettore di manutenzione di JTEC, che regola le pressioni del gas nelle diverse parti del sistema durante le operazioni di avvio, spegnimento e manutenzione. Viene utilizzato un trasmettitore di punto di rugiada Vaisala DMT143 per verificare che l'umidità non passi dal lato umido del sistema alle sezioni secche che forniscono idrogeno ai componenti critici.

L'implementazione è stata semplice. I sensori sono stati installati nell'ambito dell'assemblaggio complessivo del sistema e integrati con il sistema di controllo di JTEC. In un processo batch dinamico, in cui pressione, temperatura e portata possono variare in modo significativo durante un ciclo, le prestazioni di misura, l'accessibilità ai dati e il supporto tecnico erano particolarmente importanti.

"La taratura automatica dei sensori Vaisala, che migliora l'affidabilità dei dati restituiti, ha rappresentato un enorme vantaggio", ha dichiarato Bell. "Allo stesso tempo, siamo riusciti a integrare routine di compensazione della pressione nelle nostre misurazioni del punto di rugiada grazie al supporto degli ingegneri Vaisala, la cui competenza emerge in modo evidente".

L'assistenza di Vaisala va ben oltre la semplice selezione del prodotto. Vaisala mette a disposizione scienziati con titolo di dottorato, esperti di livello internazionale nella metrologia dell'umidità. La loro guida costante aiuta il team a valutare la misura dell'umidità nell'idrogeno a pressioni diverse e con punti di rugiada bassi.

Ciò è stato particolarmente importante poiché la misura dell'umidità nell'idrogeno, a pressioni significativamente diverse da quella atmosferica, non è ancora pienamente compresa né dalla comunità scientifica né dall'industria. Le competenze tecniche di Vaisala hanno aiutato JTEC a prendere decisioni informate su come affrontare la compensazione della pressione e a ottenere misure affidabili in tali condizioni.

"Vaisala ci ha aiutati a comprendere ciò che è noto, ciò che possiamo affermare con sicurezza e dove invece il livello di certezza si riduce", ha detto Bell. "Solo perché Vaisala dispone di esperti di tale livello ed è disposta a renderli accessibili ai clienti siamo stati in grado di prendere decisioni intelligenti su come effettuare queste misure", ha continuato Bell.

Affidabilità delle misure per l'implementazione sul campo

Mentre JTEC prepara l'implementazione del suo primo sistema di produzione in un progetto pilota sul campo, la tecnologia di misura Vaisala offre all'azienda la sicurezza di poter monitorare l'umidità con un livello di precisione sufficiente a proteggere i componenti critici del reattore. Ad esempio, JTEC deve mantenere sotto stretto controllo il contenuto di umidità nell'idrogeno gassoso mentre ritorna ai reattori: in questa fase la precisione, la ripetibilità e l'affidabilità delle misure sono elementi centrali per la prontezza operativa sul campo.

"Per sentirmi davvero tranquillo nella gestione di un sistema di reattori di queste dimensioni in un progetto pilota sul campo, devo poter contare su misure dell’umidità estremamente affidabili. Ed è proprio questo che Vaisala garantisce.", ha commentato Bell. "L'investimento nel sistema del reattore è troppo ingente per giustificare il suo funzionamento se non si ha l'assoluta certezza del contenuto di umidità che si reimmette nei reattori".

I sensori Vaisala aiutano JTEC a:

• Verificare le prestazioni di rimozione dell'umidità in tutto il sistema di gestione del gas.
• Proteggere i reattori a idruri metallici dall'esposizione a umidità dannosa.
• Misurare con precisione e certezza punti di rugiada molto bassi.
• Semplificare il controllo grazie a misure stabili e affidabili.
• Supportare le future installazioni in aree pericolose tramite misurazioni con marcatura EX.
• Utilizzare una tecnologia di sensori comune negli ambienti di ricerca e sviluppo e in quelli di produzione.

I trasmettitori Vaisala DMT143 rappresentano oggi i sensori del punto di rugiada di riferimento nelle attività di ricerca e sviluppo di JTEC, mentre i modelli DMT143, HMP7 e DMP370 costituiscono componenti standard nell'architettura del sistema di produzione dell'azienda.

Per la misura di punti di rugiada bassi, il Vaisala DMP370 offre un vantaggio in termini di controllo, fornendo letture stabili senza le interruzioni per la taratura imposte da altre architetture di misura 

"Quando dobbiamo decidere quando passare da una colonna di deumidificazione all'altra, la certezza di avere sempre una visione diretta del contenuto di umidità del gas in uscita rende l'operazione ancora più semplice", ha detto Bell.

La partnership tecnica con Vaisala ha inciso anche sul modo in cui JTEC valuta i fornitori di sensori. Bell ha spiegato che la misura dell'umidità è uno dei pochi ambiti in cui JTEC menziona direttamente il fornitore del sensore quando parla del sistema con clienti, distributori e partner tecnici.

"Vaisala fornisce uno dei tre sensori più importanti dell'intero sistema e il sensore di umidità è il sensore più importante per la longevità del nostro sistema", ha detto Bell. "In questo ambito siamo pienamente soddisfatti e non stiamo cercando altri sensori".

Abilitare la fase successiva della conversione del calore residuo in energia

Con il procedere dei sistemi JTEC dalla sperimentazione in laboratorio ai test sul campo, la misura dell'umidità sarà centrale per dimostrare le prestazioni del suo approccio di gestione dei gas a circuito chiuso. I sensori Vaisala forniscono la visibilità in tempo reale necessaria per verificare le prestazioni, quantificando sia gli alti livelli di umidità in entrata nel processo di gestione dell'umidità sia i bassi livelli di punto di rugiada in uscita.

Questa visibilità aiuta JTEC a proteggere l'integrità dei reattori, a semplificare il controllo e a dimostrare l'affidabilità del sistema nelle operazioni sul campo. In vista del futuro ampliamento dei sistemi di produzione e dell'emergere di ulteriori esigenze di monitoraggio, JTEC prevede di continuare a utilizzare sensori Vaisala.

Grazie alla scelta di Vaisala come standard, JTEC ha creato una base solida per la misura dell'umidità che supporta l'implementazione sul campo, l'affidabilità del sistema e la crescita futura. In un’applicazione in cui l’umidità può determinare l’integrità dei reattori, l’affidabilità del controllo e la fiducia dei clienti, misurazioni accurate sono fondamentali per portare sul campo una nuova tecnologia di conversione del calore residuo in energia elettrica.