Recipienti per idrogeno: progettazione, prove e certificazione
-PUBBLIREDAZIONALE-
Il recipiente è una parte cruciale nell’utilizzo dell’idrogeno gassoso; che si tratti di applicazioni stazionarie, di stoccaggio mobile per il trasporto oppure di serbatoi installati direttamente a bordo dei veicoli, il recipiente non può essere evitato e deve garantire uno stoccaggio sufficiente ed una manipolazione sicura.
Applicazioni
Le caratteristiche di densità energetica dell’idrogeno rendono necessaria la sua compressione ad elevate pressioni per l’utilizzo; questo comporta l’applicazione di difficili requisiti di progettazione che il recipiente deve soddisfare.
Ma quali sono questi requisiti?
- Resistenza – L’obiettivo primario è quello di creare un recipiente abbastanza resistente da sostenere l’elevata pressione. Il materiale composito esterno (combinazione di resina e materiali fibrosi) costituisce una sorta di guscio attorno alla parte interna contenente l’idrogeno e deve resistere alle sollecitazioni dell’intero ciclo di vita.
- Tenuta – Un recipiente contenente idrogeno deve essere ermetico. Può sembrare incomprensibile, ma un recipiente a tenuta stagna assoluta non esiste; seppur minima, è sempre presente una perdita dovuta alla permeazione dei materiali impiegati.
- Allungamento – Quando viene pressurizzato, il recipiente produce una “flessione” che determina l’aumento del volume interno. In termini di efficienza economica, l’obiettivo è di mantenere la resistenza e la tenuta impiegando la minima quantità di costosi materiali fibrosi.
- Cicli di carico – Durante il suo ciclo di vita, un recipiente verrà pressurizzato numerose volte subendo stress meccanico e termico sui materiali. Per esempio, il riempimento rapido è desiderato per le applicazioni sui veicoli in cui il rifornimento avviene a portata e pressione elevati; durante il riempimento rapido il gas viene pre-raffreddato a -40 C, in modo da evitare l’aumento di temperatura nel recipiente e garantire un riempimento sicuro.
Ma ci sono altri dettagli da approfondire oltre ai requisiti appena descritti… Quindi, un produttore di recipienti che punta ad introdurre il suo prodotto sul mercato, come può garantire un prodotto sicuro e ben progettato? La risposta è costituita dalle prove di laboratorio.
Norme e omologazione
Il mercato richiede l’applicazione di diverse norme, ciascuna armonizzata in modo differente dai vari enti di prova, certificazione e controllo del prodotto.
Per semplificare, due fattori principali determinano il percorso da seguire per la certificazione e l’immissione sul mercato.
- Posizione geografica del mercato – Quali standard e programma di prova sono applicabili nell’area geografica in cui il recipiente sarà disponibile sul mercato? I mercati emergenti come Cina e India richiedono standard nazionali consolidati per i recipienti, come quelli utilizzati in ambito automotive.
Il mercato nordamericano ha un proprio sistema di certificazione che non coinvolge obbligatoriamente una parte indipendente per la certificazione e il controllo della produzione.
Per i serbatoi su veicoli, il mercato europeo è obbligato a lavorare in accordo a ECE ONU R 134 e un’autorità nazionale è coinvolta per la certificazione e per il successivo controllo della conformità della produzione.
La certificazione dei recipienti per il trasporto di idrogeno è organizzata in modo ancora diverso e prevede che un Organismo Notificato, accreditato e qualificato, sia coinvolto per la valutazione tecnica della progettazione e per il controllo della produzione.
In tutti i casi, sono ancora una volta ampiamente necessarie le prove di laboratorio.
- Collaudo – Il test idraulico viene utilizzato per testare la resistenza del recipiente. Uno dei primi parametri necessari è la pressione di scoppio di un cilindro per allineare (mediante modellazione software) i valori teorici e quelli pratici.
La prova dinamica del ciclo di carico idraulico è richiesta in molti standard e si basa sull’immissione di un liquido nel recipiente, iniziando con una bassa pressione nominale predefinita che viene aumentata fino ad un limite superiore.
Il numero di cicli di carico è variabile, ma 30.000 cicli rappresenta una scelta comune. Per simulare il ciclo di vita di un recipiente vengono aggiunti fattori esterni; esposizione chimica (fluidi utilizzati nel settore automotive), alte e basse temperature, caduta da varie altezze, impatti, tagli ed abrasioni sono solo alcuni esempi di ciò che un recipiente sopporta durante le prove.
Perdite di gas
Alcuni standard richiedono, inoltre, una prova in cui il tasso di perdita viene misurato su un periodo di tempo che può richiedere fino a 3-4 settimane, utilizzando idrogeno gassoso a pressione costante.
Durante la simulazione di un rifornimento ad alta pressione, il recipiente viene pressurizzato per 500 cicli con idrogeno pre-raffreddato a diverse temperature e viene misurata la permeazione intermedia; solo pochissimi laboratori possono rispettare questi metodi di prova, anche in virtù del fatto che i recipienti tendono ad essere sempre più grandi (>400L).
La valutazione dell’influenza di fattori esterni prevede prove che simulano un incendio ed un impatto ad alta velocità; il recipiente non deve rompersi e deve produrre un rilascio controllato di idrogeno attraverso i componenti di sicurezza.
Il test di impatto ad alta velocità (o test di sparo) simula l’impatto di un colpo da arma da fuoco; il recipiente deve mantenere la sua forma dopo essere stato colpito ed il gas deve fuoriuscire dal foro causato dalla penetrazione del proiettile.
Controllo qualità da parte di terzi
La certificazione o l’omologazione possono essere rilasciate solo quando i risultati delle prove determinano la conformità del recipiente ai requisiti previsti dalle norme applicabili e quando la qualità del prodotto è controllata. Un ente di terza parte deve essere coinvolto per controllare in modo indipendente ad intervalli prestabiliti la produzione dei recipienti e la gestione della qualità (se previsto), oltre che per collaudare i lotti di recipienti prodotti mediante prove del ciclo di carico e prove di scoppio.
Moderne soluzioni di stoccaggio
Considerando quanto detto, si può affermare che in termini di sicurezza e garanzia della qualità della produzione i sistemi di stoccaggio dell’idrogeno sono attualmente ben progettati, realizzati e controllati.
Si assiste ad una curva di apprendimento costante in tutto il settore grazie alle nuove tecnologie, ai miglioramenti dei materiali ed all’evoluzione di nuove applicazioni.
Questi nuovi fattori sono costantemente monitorati ed implementati nei più recenti standard; i fabbricanti, gli enti di normazione, gli utenti e gli enti di prova, ispezione e certificazione come KIWA sono coinvolti nel recepimento normativo di questi fattori.
