Parker Hannifin partecipa al progetto iHAPC per lo sviluppo di un nuovo concetto di motore a pistoni alimentato con una miscela di idrogeno, argon e ossigeno. Una delle tante iniziative avviate dal Gruppo per studiare nuovi impieghi per il vettore energetico.
Nella ricerca sul vettore energetico del futuro, il gruppo Parker Hannifin si distingue come una tra le realtà più attive e ricche di soluzioni.
di Riccardo Oldani
Nel cammino verso la sostenibilità e il contrasto al riscaldamento globale non ci sono soltanto politici e scienziati a giocare un ruolo da protagonisti. Un contributo sostanziale arriva dai gruppi industriali che vedono un futuro in questo percorso, sia dal punto di vista dei valori in gioco sia per il business che una strategia sostenibile può attivare. Uno degli esempi più emblematici di questo tipo di impegno è quello di Parker Hannifin, gruppo industriale globale specializzato nelle tecnologie di movimentazione e controllo, con oltre 60.000 dipendenti e attività in settori come l’automazione, l’aerospazio, la mobilità, l’energia e la filtrazione.
UN PROGETTO AVVENIRISTICO
Partiamo da un esempio concreto. In Finlandia, alla fine del 2024 Parker ha deciso di entrare in un consorzio che sta lavorando a un concetto rivoluzionario di combustione pulita. Si chiama iHAPC, acronimo di “integrated Hydrogen-Argon Power Cycle”, ciclo energetico integrato idrogeno-argon. Coordinato dall’Università finlandese di Vaasa, il sodalizio riunisce un ristretto manipolo di università e aziende e, con uno stanziamento di 8,55 milioni di euro, intende sviluppare in tre anni, dal 2025 al 2027, un impianto pilota per dimostrare la validità di questo innovativo ciclo energetico, alimentato da una miscela di idrogeno, argon e ossigeno.
A differenza dei motori a combustione tradizionali, che utilizzano aria come comburente e rilasciano gas di scarico climalteranti in atmosfera, il ciclo HAPC sostituisce l’aria con una miscela di argon, idrogeno e ossigeno. L’argon, gas nobile, non partecipa alla reazione chimica, ma funge da fluido termodinamico: assorbe calore, lo trasporta e consente l’espansione nei cilindri. In miscela con una percentuale minima di ossigeno, intorno al 10%, contribuisce, inoltre, a elevare l’efficienza dei motori in cui viene usato, portandola intorno al 58%, ben al di sopra rispetto ai motori termici tradizionali. Nel ciclo HAPC l’idrogeno svolge la funzione di combustibile e viene pertanto bruciato per fornire l’energia necessaria al ciclo.
Il progetto iHAPC mira a realizzare in tre anni, tra il 2025 e il 2027, un impianto pilota per dimostrare la validità del ciclo energetico. I possibili impieghi sono previsti nel settore marittimo, dei trasporti e dei generatori stazionari.
I VANTAGGI DELLA TECNOLOGIA
Il sistema è progettato per funzionare in ciclo chiuso. Dalla postcombustione risultano solo gas argon e acqua di condensa. L’unico elemento che si consuma realmente è l’idrogeno, mentre l’argon viene riutilizzato e l’acqua separata in idrogeno e ossigeno per alimentare nuovamente il ciclo. Questo elimina in sostanza la necessità di scarichi e di gestione delle emissioni.
Il ciclo HAPC promette di combinare i vantaggi dell’impiego dell’idrogeno con la robustezza e la semplicità dei motori a pistoni. L’assenza di azoto, contenuto normalmente nell’aria usata come comburente nei motori tradizionali, elimina le emissioni di ossidi di azoto, mentre il fatto che il carburante non provenga da fonti fossili assicura una combustione più pulita anche a temperature elevate e l’assenza di emissioni di anidride carbonica. Rispetto alle celle a combustibile, invece, la tecnologia HAPC potrebbe offrire vantaggi in termini di costo, manutenzione e scalabilità, perché utilizza in buona parte componenti già noti nel settore motoristico, con opportuni adattamenti.
Una possibile applicazione del ciclo HAPC potrebbe riguardare anche la mobilità leggera. Il vantaggio della tecnologia consiste nel poter riutilizzare gran parte della componentistica dei motori termici tradizionali.
GLI AMBITI APPLICATIVI
Il ciclo HAPC potrebbe trovare applicazione nei motori per il settore marittimo, ma anche nei trasporti pesanti, nelle locomotive e nei generatori stazionari. In prospettiva anche nell’automotive, soprattutto per veicoli commerciali o in contesti in cui l’idrogeno è prodotto e utilizzato localmente. Il fatto che funzioni con motori a combustione interna modificati lo rende particolarmente interessante per una conversione graduale delle flotte di trasporto esistenti.
I prototipi attualmente in sviluppo in vari test in corso nel mondo, tra cui anche quello del consorzio iHAPC, si basano su motori a pistoni con cambiamenti sostanziali nel sistema di alimentazione, gestione termica e controllo elettronico. Le principali modifiche includono l’introduzione di un circuito chiuso per il fluido termodinamico (argon), un sistema avanzato per la separazione dell’acqua formata dalla combustione da cui recuperare idrogeno e ossigeno da reimmettere nel ciclo e anche sistemi per gestire in modo preciso il rapporto della miscela idrogeno, argon ossigeno. È ancora oggetto di studio il bilancio energetico complessivo, ma i dati preliminari suggeriscono un’efficienza decisamente superiore rispetto ai motori a benzina o diesel, e confrontabile con alcune soluzioni fuel cell.
Parker Hannifin è assiduamente impegnata nello sviluppo di tecnologie, soluzioni e prodotti per la filiera di produzione, stoccaggio e trasporto dell’idrogeno verde.
UN IMPEGNO A 360 GRADI
Parallelamente al suo coinvolgimento in progetti di frontiera come quello del consorzio iHAPC, Parker Hannifin sta investendo in modo sistematico nello sviluppo di tecnologie dedicate all’intera catena del valore dell’idrogeno. Dalla produzione tramite elettrolisi alla compressione e stoccaggio, fino all’alimentazione di celle a combustibile, le soluzioni Parker trovano applicazione in tutte le fasi dei futuri ecosistemi energetici a basse emissioni.
Pensiamo per esempio alla produzione di idrogeno tramite elettrolisi che, se alimentata da fonti rinnovabili, consente di generare idrogeno verde. Uno dei punti critici del processo è la separazione del gas prodotto (H?) dal liquido elettrolita, che può essere acqua ultrapura nei sistemi PEM (con membrana a scambio protonico) o soluzione alcalina (KOH, idrossido di potassio) nelle celle alcaline. Una separazione inefficiente può comportare ricircoli indesiderati, riduzione dell’efficienza energetica e rischi legati alla ricombustione esplosiva di idrogeno e ossigeno.
Nell’ambito delle celle a combustibile il Gruppo è impegnato su più fronti. Nel caso delle PEM (celle con membrana a scambio protonico, nella foto) lo sforzo dell’R&D riguarda per esempio l’aumento di durata ed efficienza.
SOLUZIONI PER L’IDROGENO GREEN
Per rispondere a queste sfide, Parker ha sviluppato tecnologie avanzate di filtrazione coalescente, come il sistema PEACH Gemini Pura-Sep, basato su elementi filtranti con struttura a densità graduale. La tecnologia PEACH (Parker Engineered Applied Conical Helix) permette di trattenere microgocce liquide fino a 0,1 µm con un’efficienza del 99,99%, mantenendo una perdita di carico minima, inferiore a 5 mbar.
Il gruppo ha illustrato la tecnologia in un white paper denso di informazioni, intitolato “Design Guidelines for Gas-Electrolyte Separation in Green Hydrogen Production”. L’esperto che lo ha curato, Daniel Telford, Hydrogen R&D Engineer del Filtration Group di Parker, spiega come “la qualità della separazione abbia un impatto diretto su tutta la catena di trattamento dell’idrogeno. Consente infatti di ridurre la dimensione e il consumo energetico dei ‘dryer’ a valle della cella. Previene poi la formazione di bolle di gas nell’elettrolita, che possono ridurre la superficie attiva degli elettrodi e compromettere la reazione elettrochimica, e minimizza i rischi di corrosione e i costi operativi nei sistemi a KOH, grazie all’uso di materiali resistenti e di facile manutenzione”. Il risultato è una maggiore efficienza energetica del processo di produzione e una più lunga durata degli impianti, indispensabile nel percorso di riduzione dei costi da cui dipenderà il successo commerciale dell’idrogeno verde.
Prodotti e soluzioni Parker Hannifin giocano un ruolo fondamentale anche per la sicurezza di tutta la filiera dell’idrogeno, gas altamente infiammabile che richiede l’adozione di metodi e tecnologie sottoposti agli standard più severi.
CELLE A COMBUSTIBILE PIÙ EFFICIENTI
Un altro ambito chiave in cui l’idrogeno può fare la differenza è quello dei veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV). Qui, Parker ha concentrato la ricerca su una delle cause principali di degrado delle celle PEM, la contaminazione dell’aria catodica, che può compromettere in modo irreversibile l’efficienza del catalizzatore al platino. In un altro white paper specifico su questo argomento, dal titolo “Cathode Air Filtration” e curato da Daniel Copley, della Divisione Engine Mobile Original Equipment, il gruppo descrive una strategia di filtrazione a tre stadi che eleva in modo decisivo le prestazioni rispetto alle soluzioni precedenti, giungendo fino al 99% di rimozione dell’ammoniaca e un abbattimento della SO? fino a una parte per miliardo, dieci volte oltre i requisiti tecnici richiesti per le fuel cell.
Parker in questo ambito ha anche sviluppato modelli matematici predittivi per stimare la durata di questi filtri innovativi in base a condizioni ambientali reali. Strumenti utili sia in fase di design sia per la gestione del ciclo di vita.
L’offerta di Parker per il mondo dell’idrogeno include un’ampia gamma di prodotti, dalle valvole di controllo e sicurezza ai sensori, da tubazioni e raccordi in materiali speciali agli strumenti di analisi.
LA SFIDA INVISIBILE DELLA SICUREZZA
Quando si parla di idrogeno un tema centrale è quello della sicurezza. Uno dei fattori di pericolo riguarda l’elevata infiammabilità del gas e il rischio di esplosioni, aspetto che ha spinto Parker a sviluppare non soltanto prodotti e componenti di alta qualità per evitare fughe, ma anche valvole di sicurezza e procedure di installazione da adottare in impianti e sistemi di trasporto dell’idrogeno.
Ma anche il processo dell’elettrolisi nasconde insidie: l’ossigeno puro generato con il processo è, infatti, anch’esso altamente infiammabile, ed è per questo che Parker ha sviluppato un’intera serie di linee guida per la progettazione di componenti destinati a operare in ambienti con ossigeno ad alta purezza, come quelli in uscita da un elettrolizzatore.
UN PORTAFOGLIO COMPLETO
Le tecnologie descritte rappresentano solo la punta dell’iceberg dell’offerta tecnologica di Parker per il mondo dell’idrogeno, che include una vastissima serie di prodotti: valvole di controllo e sicurezza progettate per alte pressioni e compatibili con gas ad alta purezza; sensori di pressione e temperatura, per un monitoraggio continuo dei processi; tubazioni, raccordi e manicotti certificati per idrogeno e disponibili in leghe speciali; strumentazione per l’analisi della purezza e del contenuto d’acqua nell’idrogeno.
Queste soluzioni trovano applicazione in elettrolizzatori, sistemi di compressione e distribuzione, stazioni di rifornimento, fuel cell veicolari e stazionarie ed equipaggiamenti per il settore ferroviario, marittimo e dell’energia off-grid.
Insomma, Parker Hannifin sta contribuendo in modo sostanziale a uno sviluppo sostenibile ed equilibrato dell’economia dell’idrogeno e si inserisce in una visione più ampia, orientata a rendere disponibili, fin da oggi, componenti e soluzioni “hydrogen-ready”, in grado di integrarsi nei sistemi industriali e nei veicoli del futuro. L’esperienza maturata nei settori oil & gas, automazione, medicale e aerospace viene ora messa a frutto per supportare una transizione energetica sicura, scalabile e sostenibile.
FOCUS: PER SAPERNE DI PIÙ
Chi volesse sapere di più sull’attività di Parker Hannifin nella filiera dell’idrogeno può esplorare la ricca sezione web messa a punto dal Gruppo e consultabile al link https://www.parker.com/fi/en/solutions/hydrogen.html. Vi si trovano molte risorse, tra cui anche i white paper citati nell’articolo, che ognuno può ottenere gratuitamente facendone richiesta e compilando un breve formulario. Nella sezione si esplorano tutti i possibili utilizzi dell’idrogeno in ambito energetico, gli aspetti della sicurezza nello stoccaggio e nel trasporto e i metodi di produzione, con particolare accento sull’idrogeno verde. ©ON ENERGY
La copertina di uno dei white paper curati da esperti Parker Hannifin per il settore dell’idrogeno. Riguarda la separazione dell’idrogeno gassoso dalla soluzione elettrolita negli elettrolizzatori, fase delicate per l’efficienza e la sicurezza del processo.
