Una spinta all’innovazione per l’economia dell’idrogeno: diagnostica in tempo reale per elettrolizzatori e celle a combustibile in funzione
Ottimizzare la capacità di carico e l'efficienza, prolungare la durata utile e ridurre i costi operativi: un balzo tecnologico dal grande potenziale
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L’uso dell’idrogeno è un elemento chiave della decarbonizzazione, ma garantire il funzionamento a lungo termine di elettrolizzatori e celle a combustibile rappresenta una sfida. Le condizioni operative variabili causano usura e perdite di prestazioni. Il Fraunhofer IFAM ha ora compiuto un passo avanti decisivo grazie alla spettroscopia di impedenza dinamica: questo metodo diagnostico consente un’analisi precisa durante il funzionamento, rileva i sovraccarichi in tempo reale e individua i punti deboli in una fase precoce. Ciò permette di ottimizzare in modo mirato la resilienza e l’efficienza, prolunga la durata di vita dei sistemi e riduce i costi operativi: un salto tecnologico con un enorme potenziale per l’economia dell’idrogeno.
L’invecchiamento dei materiali e il degrado delle prestazioni rappresentano sfide tecniche per gli elettrolizzatori e le celle a combustibile. I carichi operativi variabili, come quelli causati dall’immissione fluttuante di energia rinnovabile, possono comportare una durata di vita significativamente ridotta e costi di manutenzione elevati. Per affrontare questo problema in modo sostenibile, i ricercatori del Fraunhofer IFAM hanno compiuto progressi decisivi nel sistema di diagnostica in tempo reale per la spettroscopia di impedenza dinamica.
Analisi in tempo reale: dalle misurazioni di laboratorio alle applicazioni industriali supportate dall’intelligenza artificiale
I metodi di misurazione all’avanguardia richiedono un’interruzione del funzionamento con i relativi tempi di inattività per raggiungere uno stato stazionario – come nel caso della classica spettroscopia di impedenza. Queste misurazioni richiedono molto tempo e difficilmente riescono a riflettere le effettive condizioni operative, soggette a fluttuazioni. «Con il nostro nuovo metodo di misurazione dinamica, per la prima volta otteniamo dati significativi direttamente dal processo in corso, utilizzando livelli di corrente significativamente più elevati rispetto alla precedente configurazione di laboratorio», afferma il dott. Hermann Pleteit, responsabile di progetto presso il Fraunhofer IFAM.
La spettroscopia di impedenza dinamica è un nuovo metodo che consente di esaminare lo stato interno di un elettrolizzatore o di una cella a combustibile in condizioni non stazionarie durante il funzionamento. A tal fine, alla corrente di funzionamento normale viene sovrapposto un piccolo segnale multifrequenza. Contemporaneamente, si misura come il sistema reagisce a ciò, ovvero come variano corrente e tensione. Il rapporto tra queste grandezze viene utilizzato per calcolare la cosiddetta impedenza complessa, che può essere intesa come la “resistenza elettrica” del sistema in funzione della frequenza. «È proprio questa natura dipendente dalla frequenza a rendere l’impedenza così preziosa per le applicazioni citate e così interessante per noi. A differenza del semplice valore di resistenza, essa fornisce un quadro completo dei processi che avvengono all’interno di un sistema elettrochimico. Questo perché i vari processi fisici e chimici – quali le reazioni agli elettrodi, il trasporto di ioni attraverso la membrana, le resistenze di contatto elettrico o il reintegro delle sostanze coinvolte – agiscono ciascuno a frequenze diverse. «Questo ci permette di distinguere questi processi l’uno dall’altro, valutarli singolarmente e, grazie alla risoluzione dettagliata in tempo reale, osservare lo stato dei singoli componenti, come la membrana o gli elettrodi», spiega Pleteit.
Dall’evoluzione temporale di questi spettri è possibile trarre conclusioni specifiche sulle condizioni e sull’invecchiamento del sistema. Se, ad esempio, la resistenza di un determinato componente aumenta, ciò può indicare un deterioramento delle reazioni agli elettrodi, corrosione o un deterioramento dei contatti elettrici. I cambiamenti nel comportamento di fase, d’altra parte, possono indicare l’usura della membrana, problemi di equilibrio idrico o un trasferimento di massa limitato. Ciò consente di identificare le cause effettive delle perdite di prestazione – siano esse dovute ai materiali, alle interfacce, ai contatti o alle condizioni operative.
Un sistema diagnostico in tempo reale utilizza queste informazioni per monitorare continuamente le condizioni della cella. Ciò consente di rilevare cambiamenti incipienti molto prima che portino a perdite di prestazioni evidenti o addirittura a un guasto. «Invece di intervenire solo dopo che il sistema si è già arrestato, possiamo prevedere con precisione le esigenze di manutenzione ed evitare costosi tempi di inattività», ha proseguito Pleteit. La spettroscopia di impedenza dinamica consente quindi una valutazione accurata delle condizioni, una diagnosi mirata dei guasti e una manutenzione predittiva degli elettrolizzatori e delle celle a combustibile.
Alla base di questi progressi vi è il passaggio della spettroscopia di impedenza dinamica dalla scala di laboratorio alle dimensioni delle applicazioni reali, in modo che correnti operative fino a 30 ampere possano ora essere sovrapposte al segnale di misura. Ciò rappresenta un passo decisivo verso l’applicazione industriale. Grazie all’elaborazione integrata dei dati in tempo reale, l’evoluzione temporale dell’impedenza viene calcolata e visualizzata in tempo reale. «Questo ci permette, per la prima volta, di misurare i nostri parametri matematici per sistemi più grandi durante i processi in corso. In combinazione con modelli basati sull’intelligenza artificiale, i risultati possono essere applicati a condizioni ambientali mutevoli – come le fluttuazioni di pressione e temperatura – nonché a nuove composizioni dei materiali», riassume Pleteit.
Integrazione nei sistemi di controllo degli impianti e vantaggi pratici
Il vantaggio pratico del sistema ampliato risiede nella sua implementazione diretta nei sistemi di controllo dell’impianto, come il sistema di gestione dell’energia. Gli operatori di sistemi a idrogeno – quali le celle a combustibile PEM e gli elettrolizzatori alcalini – ricevono così dati di stato continui e precisi che riflettono le condizioni attuali dell’impianto. Su questa base, è possibile individuare tempestivamente processi critici come il degrado del catalizzatore, pianificare intervalli di manutenzione predittiva e adeguare dinamicamente le strategie operative per ridurre al minimo i processi di degrado. «Ciò ci consente di ridurre significativamente i costi del ciclo di vita e garantire la redditività dei progetti di idrogeno verde – una componente fondamentale per la competitività dell’economia dell’idrogeno», afferma Pleteit.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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