Circuiti di raffreddamento negli elettrolizzatori PEM: 7 errori di progettazione che riducono l’efficienza del sistema

Con la continua evoluzione delle tecnologie dell’idrogeno, i produttori si concentrano sempre più sul miglioramento dell’efficienza, della durata e dell’affidabilità dei sistemi. Sebbene grande attenzione venga dedicata a stack, membrane e catalizzatori, esiste un sottosistema che ha un impatto diretto su tutti questi componenti: il sistema di raffreddamento dell’elettrolizzatore PEM.

Un circuito di raffreddamento efficiente non si limita a dissipare il calore. Contribuisce a mantenere temperature operative stabili, protegge i componenti critici dalle sollecitazioni termiche e garantisce una produzione di idrogeno costante per tutta la vita utile dell’elettrolizzatore. Anche decisioni progettuali apparentemente secondarie, come il materiale dei tubi flessibili, il routing o la configurazione degli assemblaggi, possono influire sull’efficienza energetica, sulle esigenze di manutenzione e sulle prestazioni a lungo termine.

In questo articolo analizziamo sette errori di progettazione comuni nei circuiti di raffreddamento e spieghiamo come la scelta della corretta soluzione per il trasferimento dei fluidi possa contribuire a ottimizzare l’intero sistema.

Perché la gestione termica è fondamentale negli elettrolizzatori PEM

Durante l’elettrolisi, una parte dell’energia elettrica fornita allo stack viene convertita in calore. Se questo calore non viene dissipato in modo efficiente, la temperatura operativa può superare il range ottimale, compromettendo le prestazioni della membrana, riducendo l’efficienza elettrochimica e accelerando l’invecchiamento dei componenti.

Un tipico circuito di raffreddamento di un elettrolizzatore PEM fa circolare il fluido refrigerante attraverso lo stack prima di trasferire il calore a uno scambiatore, dove viene dissipato dal sistema. Per ottenere un controllo termico stabile, ogni componente, dalla pompa ai tubi flessibili, deve funzionare in modo coordinato, garantendo perdite di carico minime e la massima affidabilità.

Sebbene i tubi flessibili per il raffreddamento rappresentino spesso solo una piccola percentuale del costo complessivo del sistema, svolgono un ruolo fondamentale nel garantire una circolazione sicura ed efficiente del fluido refrigerante.

1. Scegliere il materiale dei tubi basandosi esclusivamente sulla temperatura

Un errore comune consiste nel selezionare i tubi flessibili considerando esclusivamente le specifiche di pressione e temperatura.

I circuiti di raffreddamento utilizzano generalmente acqua deionizzata o specifiche miscele refrigeranti, che richiedono materiali con un’eccellente compatibilità chimica e bassi livelli di sostanze estraibili. L’utilizzo di un materiale non adeguato può causare un invecchiamento prematuro, la contaminazione del fluido refrigerante e una riduzione dell’affidabilità del sistema.

La compatibilità dei materiali deve quindi essere valutata insieme alle prestazioni termiche.

2. Ignorare i cicli termici

Gli elettrolizzatori PEM raramente funzionano in condizioni costanti. Avviamenti, arresti e variazioni del carico operativo sottopongono il circuito di raffreddamento a continui cicli di espansione e contrazione termica.

Nel tempo, questi cicli possono compromettere la flessibilità dei tubi, la tenuta delle connessioni e la resistenza meccanica se i materiali utilizzati non sono progettati per garantire una stabilità termica a lungo termine.

La scelta di tubi progettati per resistere a ripetuti cicli termici contribuisce a ridurre le esigenze di manutenzione e a prolungarne la vita utile.

3. Progettare un routing inefficiente dei tubi

Con la crescente compattezza degli elettrolizzatori, anche i circuiti di raffreddamento diventano sempre più complessi.

Curve troppo strette, lunghezze eccessive dei tubi o raccordi non necessari generano ulteriori perdite di carico e rendono più complessa l’installazione. Un routing non ottimizzato può inoltre aumentare le sollecitazioni meccaniche, provocando un’usura prematura.

Una disposizione ottimizzata dei tubi migliora la circolazione del fluido refrigerante e semplifica allo stesso tempo l’installazione e la manutenzione.

4. Sottovalutare le perdite di carico

Ogni raccordo, curva e transizione contribuisce ad aumentare la resistenza idraulica.

Se le perdite di carico non vengono adeguatamente considerate durante la progettazione del sistema, le pompe di circolazione devono utilizzare più energia per mantenere la portata di refrigerante richiesta, riducendo così l’efficienza complessiva del sistema.

Un diametro adeguato dei tubi, superfici interne lisce e un routing ottimizzato contribuiscono a minimizzare le perdite di carico lungo l’intero circuito di raffreddamento.

5. Trascurare l’affidabilità a lungo termine

Un sistema di raffreddamento non deve funzionare correttamente solo durante la fase di messa in servizio, ma deve mantenere prestazioni affidabili anche dopo anni di funzionamento.

Vibrazioni continue, variazioni di temperatura e fatica meccanica influenzano progressivamente tutti i componenti del circuito di raffreddamento. La scelta di assemblaggi di tubi flessibili di alta qualità, progettati per ambienti operativi impegnativi, contribuisce a ridurre i tempi di fermo e i costi di manutenzione durante l’intera vita utile dell’elettrolizzatore.

6. Sottovalutare l’importanza della prevenzione delle perdite

I sistemi di raffreddamento funzionano in modo continuo, rendendo essenziale l’affidabilità delle tenute.

Le perdite non solo riducono l’efficienza del raffreddamento, ma possono anche aumentare le esigenze di manutenzione e causare fermi imprevisti. Assemblaggi di tubi correttamente progettati, abbinati a tecnologie di connessione adeguate, migliorano significativamente l’affidabilità dell’intero circuito di raffreddamento.

Ridurre il numero di punti di connessione mediante assemblaggi personalizzati rappresenta spesso una soluzione efficace per minimizzare il rischio di perdite.

7. Considerare i tubi di raffreddamento come componenti standard

I tubi di raffreddamento vengono talvolta considerati semplici elementi per il trasporto dei fluidi, quando in realtà influenzano diversi aspetti delle prestazioni del sistema.

Flessibilità, compatibilità con il fluido refrigerante, routing, resistenza meccanica ed efficienza di installazione contribuiscono tutti all’affidabilità del circuito di raffreddamento. La scelta della soluzione più adatta dovrebbe quindi essere considerata parte integrante del processo di progettazione e non una semplice decisione finale di acquisto.

Quali caratteristiche deve avere un tubo di raffreddamento?

Un efficace tubo di raffreddamento per elettrolizzatori PEM dovrebbe combinare diverse caratteristiche fondamentali:

• Compatibilità con acqua deionizzata e fluidi refrigeranti
• Eccellente resistenza termica
• Bassi livelli di sostanze estraibili quando la purezza del fluido è critica
• Elevata flessibilità per installazioni compatte
• Resistenza a lungo termine ai cicli termici
• Prestazioni di tenuta affidabili
• Resistenza meccanica in condizioni di funzionamento continuo

Considerare questi fattori già durante la fase di progettazione contribuisce a migliorare l’efficienza del sistema e a ridurre le future esigenze di manutenzione.

Soluzioni per il trasferimento dei fluidi negli elettrolizzatori PEM

In Venair sviluppiamo soluzioni per il trasferimento dei fluidi specificamente progettate per le tecnologie dell’idrogeno, supportando gli OEM con sistemi di tubi flessibili sviluppati per applicazioni di raffreddamento particolarmente esigenti.

Il nostro portfolio comprende soluzioni come:

• Vena® PEM COOL

Sviluppato specificamente per i sistemi di gestione termica di celle a combustibile ed elettrolizzatori PEM, Vena® PEM COOL offre un’eccellente flessibilità, compatibilità con acqua deionizzata e prestazioni affidabili anche in condizioni operative impegnative.

• Vena® PEM PURE

Progettato per applicazioni in cui la purezza del fluido refrigerante è fondamentale, Vena® PEM PURE offre livelli estremamente bassi di sostanze estraibili ed elevata stabilità chimica, contribuendo a preservare la qualità del fluido lungo l’intero circuito di raffreddamento.

• Assemblaggi di tubi personalizzati

Oltre ai tubi standard, Venair sviluppa assemblaggi personalizzati con raccordi integrati e geometrie ottimizzate che semplificano l’installazione, riducono i potenziali punti di perdita e migliorano l’integrazione complessiva nel sistema.

Conclusione

Le prestazioni di un elettrolizzatore PEM dipendono da molto più del solo stack elettrochimico. Un circuito di raffreddamento correttamente progettato influisce direttamente sull’efficienza, sulla durata e sull’affidabilità operativa.

Evitando gli errori di progettazione più comuni, dalla scelta dei materiali e dal routing dei tubi fino alle perdite di carico e alla progettazione delle connessioni, i produttori possono realizzare sistemi di gestione termica più efficienti, riducendo al contempo le esigenze di manutenzione durante l’intera vita utile dell’impianto.

Con la continua evoluzione della tecnologia degli elettrolizzatori, i circuiti di raffreddamento non dovrebbero essere considerati semplicemente un’infrastruttura di supporto, ma un elemento essenziale per garantire le prestazioni a lungo termine di ogni sistema di produzione dell’idrogeno.