Caldaie a idrogeno: cosa c'è da sapere

L’idrogeno può essere introdotto per eliminare le emissioni di CO dal sistema senza aumentare i rischi associati alla progettazione e al funzionamento della caldaia monoblocco o del bruciatore.

Di Gerardo Lara

La pressione ambientale è aumentata negli ultimi tempi. Molti paesi hanno fissato obiettivi per ridurre o addirittura eliminare l’uso dei combustibili fossili tradizionali al fine di ridurre le emissioni di gas serra come la CO2.

Di conseguenza, coloro che utilizzano caldaie monoblocco possono aspettarsi una transizione almeno parziale nel prossimo decennio dal gas naturale all’idrogeno. Questo inizierà gradualmente con miscele che includono una piccola quantità di idrogeno. Nel corso del tempo, la percentuale aumenterà man mano che le forniture di idrogeno diventeranno più disponibili.

Ma che impatto avrà esattamente questo sulla caldaia? Cosa devono sapere gli operatori delle caldaie? Come cambieranno le pratiche di manutenzione?

La prima cosa da capire è che le caldaie funzionano con successo con miscele di idrogeno da decenni. Gli operatori e i produttori di caldaie hanno molta esperienza nell’affrontare le differenze tra idrogeno e gas naturale. Ma man mano che la percentuale di idrogeno aumenta, saranno necessari aggiustamenti significativi.

In questo articolo ci concentreremo sulle caldaie monoblocco che sono forse il tipo di caldaia più semplice in cui introdurre l'idrogeno grazie alla loro flessibilità e al design semplice. Sia che la caldaia a tubi d’acqua serva da caldaia di riserva per un sistema di cogenerazione di calore ed elettricità (sistema CHP), sia utilizzata per il teleriscaldamento o produca vapore per generare energia in una turbina a vapore, l’idrogeno può essere introdotto per eliminare le emissioni di CO2 da il sistema senza aumentare i rischi associati alla progettazione e al funzionamento della caldaia monoblocco o del bruciatore.

L’idrogeno ha caratteristiche significativamente diverse rispetto al gas naturale. È una molecola molto più leggera del metano con un valore BTU inferiore per unità di volume. Il gas naturale ha circa cinque volte il potere calorifico per unità di volume. Pertanto sarà necessario molto più idrogeno che gas naturale. Questo si presenterà in vari modi. Le tubazioni necessarie per l'idrogeno e la stazione di misurazione saranno generalmente più grandi di quelle necessarie per il gas naturale.

A causa della temperatura di fiamma più elevata dell'idrogeno, la combustione avviene con una temperatura di picco della fiamma di circa 4.000°F rispetto ai circa 3.600°F del gas naturale. Ciò porta a un aumento intrinseco di NOx, che deve essere mitigato in vari modi. La temperatura della fiamma, quindi, introduce una leggera possibilità di surriscaldamento. La buona notizia, però, è che la maggior parte dei forni moderni oggi utilizza una struttura a parete a membrana con superfici raffreddate ad acqua. Ciò significa che sono già attrezzati per affrontare temperature più elevate senza necessità di modifiche.

Inoltre, le pratiche di progettazione conservativa del settore generalmente portano a forni un po’ sovradimensionati. Pertanto, aggiungere un po’ di idrogeno raramente significa dover ingrandire la fornace. Nel peggiore dei casi, la caldaia dovrebbe essere progettata per avere un forno leggermente più grande. Inoltre, la combustione con H2 aggiunge volume extra al flusso dei gas di scarico rispetto alla combustione con gas naturale.

E i bruciatori? L'azienda produttrice di bruciatori in genere determina la dimensione migliore per gli iniettori di carburante. Potrebbero essere necessarie piccole modifiche, a seconda della quantità di idrogeno. Anche la pressione dell'idrogeno potrebbe influire sulle prestazioni. Pertanto, si consiglia di progettare un sistema di fornitura di idrogeno dedicato con tubazioni più grandi per accogliere il volume maggiore di gas necessario e erogarlo alla pressione desiderata e ottenere lo stesso input di BTU alla caldaia.

In alcuni casi, saranno necessarie leggere riprogettazioni e modifiche di sovradimensionamento per compensare eventuali cali di prestazioni. I componenti dell’idrogeno, in generale, saranno probabilmente più grandi e più costosi.

Alcuni temono che la leggerezza dell’idrogeno possa causare problemi di sicurezza. Una preoccupazione, ad esempio, è che l’idrogeno incombusto potrebbe accumularsi nelle sacche nella parte superiore della caldaia a causa del suo basso peso molecolare. Ancora una volta, il design moderno delle caldaie monoblocco degli stili D, O e A lascia pochissimo spazio per l’accumulo dell’idrogeno. Come precauzione di sicurezza, tuttavia, potrebbero essere imposti cicli di spurgo. Questo eliminerà facilmente l'idrogeno incombusto per eliminare qualsiasi rischio di esplosione.