Lavori di ingegneria dell'idrogeno: produrlo non è mai stato il problema

I lavori di ingegneria dell'idrogeno si concentrano nelle parti del problema che non finiscono nei comunicati stampa. Per gran parte di un decennio l'idrogeno ha avuto più capacità annunciata che capacità consegnata, e la ragione non è l'elettrolisi.

Un divario tra annunci e acciaio a terra

Lo schema è abbastanza costante da pianificarci sopra. I progetti vengono annunciati con cifre di capacità e date. Una minoranza raggiunge una decisione finale di investimento. Un numero significativo viene cancellato in silenzio o rinviato a tempo indeterminato, inclusi diversi progetti grandi e molto pubblicizzati.

Le ragioni sono economiche, non tecniche.

Il prodotto costa più dell'incumbent. L'idrogeno prodotto per elettrolisi da elettricità a basse emissioni costa in genere diverse volte quello prodotto da gas naturale, e il divario dipende molto dal prezzo dell'elettricità e da quante ore l'anno gira l'elettrolizzatore.

Gli acquirenti sono pochi a quel prezzo. I progetti hanno bisogno di offtake impegnato per finanziarsi, e gli acquirenti industriali sono riluttanti a firmare contratti a lungo termine a un premio senza una ragione regolatoria per farlo.

Il problema dell'uovo e della gallina è reale. La produzione aspetta la domanda, la domanda aspetta l'infrastruttura, l'infrastruttura aspetta il volume. Rompere questo circolo richiede o una policy o un cliente senza alternative.

Per la pianificazione del personale, la lettura onesta è che vale la pena costruire capacità sull'idrogeno, a una scala allineata ai progetti che hanno davvero raggiunto la decisione di investimento e non alle pipeline annunciate. Chiunque lavori in questo settore dovrebbe anche saper leggere un annuncio di progetto e capire a che stadio è arrivato davvero, il che è una competenza a sé.

Cosa copre la direzione

L'ambito: produzione di idrogeno, elettrolisi, celle a combustibile, stoccaggio e trasporto dell'idrogeno, e applicazioni industriali.

Quattro aree.

Produzione. Tecnologie di elettrolisi, reforming con cattura del carbonio, e le questioni di efficienza e durabilità legate a ciascuna.

Gestione. Compressione, liquefazione, stoccaggio, condotte e compatibilità dei materiali.

Utilizzo. Celle a combustibile, combustione e applicazioni come materia prima chimica.

Sicurezza e standard. Una parte di questa direzione più ampia che nella maggior parte delle altre.

Perché la molecola è difficile da gestire

L'idrogeno si comporta in modi che sorprendono gli ingegneri abituati al gas naturale, e ognuna di queste proprietà ha un costo.

Filtra. La molecola più piccola trova strade attraverso guarnizioni, giunti filettati e materiali che contengono altri gas senza difficoltà. Rilevamento delle perdite e progettazione dei raccordi sono discipline diverse qui.

Infragilisce l'acciaio. L'idrogeno diffonde in molti acciai e ne riduce la duttilità, il che può causare fessurazioni sotto sforzo. È un problema centrale di materiali per condotte, recipienti e compressori, e limita quale infrastruttura esistente si possa riutilizzare e a quali condizioni.

Trasporta poca energia per unità di volume. A pressione atmosferica l'idrogeno contiene circa un terzo dell'energia del gas naturale a parità di volume, per questo viene stoccato ad altissima pressione, liquefatto a temperature bassissime, o convertito in un vettore come l'ammoniaca. Ogni opzione costa energia: la sola liquefazione consuma una frazione sostanziale del contenuto energetico dell'idrogeno stesso.

Si accende facilmente e brucia in modo invisibile. Un ampio intervallo di infiammabilità, un'energia di innesco molto bassa e una fiamma quasi invisibile in piena luce. Il rischio è gestibile e viene gestito ogni giorno nell'industria, ma non è lo stesso rischio del gas naturale e non si può gestire con le stesse abitudini.

L'efficienza di andata e ritorno è scarsa. Elettricità-idrogeno-elettricità perde gran parte dell'energia in ingresso. Non è fatale dove l'alternativa è il nulla, ed è decisivo ovunque sia possibile l'elettrificazione diretta.

Dove si colloca nel dominio

Idrogeno e tecnologia delle celle a combustibile è la quinta delle nove direzioni del dominio Energia, clima e nucleare di Astra Trainer. Si collega a gestione del carbonio e decarbonizzazione industriale, dove l'idrogeno è una delle poche opzioni per il calore di processo ad alta temperatura e la siderurgia primaria, e a sistemi petroliferi, del gas e petrolchimici, dove attualmente risiede quasi tutta la competenza esistente sull'idrogeno.

Si collega anche a economia, mercati e politiche energetiche, poiché la sostenibilità economica di quasi ogni progetto in questa direzione dipende da sostegno di policy e prezzo dell'elettricità più che da ingegneria. Qui trovi le nove direzioni.

Dove l'idrogeno ha senso, e dove il caso è debole

Essere specifici qui è più utile dell'entusiasmo, e protegge un'organizzazione dall'investire nell'applicazione sbagliata.

Forte: uso industriale già esistente dell'idrogeno. Raffinazione e produzione di ammoniaca consumano già grandi quantità di idrogeno prodotto da fonti fossili. Sostituire quella fornitura con idrogeno a basse emissioni non richiede nuova domanda, nuova infrastruttura né cambi di comportamento. È il caso più chiaro che esista.

Forte: siderurgia primaria. La riduzione diretta del ferro con idrogeno è una delle pochissime strade per ridurre sostanzialmente le emissioni dell'acciaio primario, e le alternative sono limitate. Diversi progetti sono in corso.

Plausibile: materia prima chimica e calore di processo ad alta temperatura, dove l'elettrificazione è difficile e il processo ha bisogno di una molecola più che di elettroni.

Plausibile: stoccaggio energetico di lunga durata e bilanciamento stagionale, dove la scarsa efficienza di andata e ritorno conta meno della capacità di immagazzinare energia per mesi, cosa che le batterie non possono fare.

Contestato: trasporto pesante, shipping e aviazione. Candidati genuini, in competizione con le batterie nell'autotrasporto e con i combustibili sintetici e bio-derivati in shipping e aviazione. L'esito non è deciso e persone ragionevoli non concordano.

Debole: riscaldamento domestico. Le pompe di calore forniscono diverse unità di calore per unità di elettricità. Produrre idrogeno, distribuirlo e bruciarlo ne fornisce meno di una. Diverse revisioni indipendenti sono arrivate a conclusioni sfavorevoli, e il caso si regge soprattutto sul riutilizzo delle reti gas esistenti.

Debole: la maggior parte dei veicoli leggeri. I veicoli elettrici a batteria sono più efficienti, più economici da usare e sostenuti da un'infrastruttura molto più ampia.

Un programma idrogeno onesto si concentra sul primo gruppo. Un programma che parte da auto e caldaie domestiche è di solito un artefatto di policy più che un piano ingegneristico.

Le competenze sono trasferibili, ed è la buona notizia

Il quadro sul personale qui è più favorevole che nella maggior parte di questo dominio, e vale la pena dirlo chiaramente.

L'idrogeno non è un'industria nuova nel modo in cui viene spesso descritta. Viene prodotto e gestito su scala industriale da un secolo, in raffinerie, impianti di ammoniaca e operazioni di gas industriali. Le persone che fanno quel lavoro esistono già.

Quello di cui hanno bisogno è uno strato, non una riqualificazione: tecnologia degli elettrolizzatori e le loro caratteristiche operative, il quadro della compatibilità dei materiali per infrastrutture non progettate originariamente per l'idrogeno, le differenze specifiche di sicurezza rispetto al gas naturale, e il quadro commerciale e di policy che determina se un progetto è reale.

È un problema di formazione con un percorso breve, ed è particolarmente adatto a un apprendimento strutturato e incrementale offerto a persone già al lavoro.

I ruoli, uno per uno

Ingegneri di elettrolizzatori. Design dello stack, integrazione di sistema, balance of plant.

Ingegneri di processo per produzione e purificazione dell'idrogeno.

Ingegneri di sicurezza dell'idrogeno. Una specializzazione distinta e in crescita.

Ingegneri dei materiali per la valutazione di infragilimento e compatibilità.

Ingegneri di celle a combustibile, per trasporti e potenza stazionaria.

Specialisti di compressione, stoccaggio e liquefazione.

Ingegneri di condotte e infrastruttura, inclusa la valutazione di conversione delle reti esistenti.

Operatori e tecnici di impianto per gli impianti di produzione.

Sviluppatori di progetto e analisti commerciali, perché offtake e policy decidono questi progetti.

Chi può essere formato per farlo

Personale del settore dei gas industriali. Il match più stretto in assoluto. Produzione, compressione, liquefazione, distribuzione e gestione delle bombole sono già il lavoro quotidiano.

Operatori e ingegneri di raffinerie e impianti di ammoniaca. Già gestiscono idrogeno su scala sotto process safety management.

Ingegneri di processo e condotte dell'oil & gas. Trasferimento forte, con compatibilità dei materiali e differenze di sicurezza insegnate esplicitamente, non date per scontate.

Ingegneri chimici da qualsiasi industria di processo.

Ingegneri elettrici e di elettronica di potenza. Verso i sistemi elettrici degli elettrolizzatori, che sono una parte sostanziale di un impianto di elettrolisi.

Ingegneri dei materiali e della corrosione. Verso la valutazione dell'infragilimento, competenza scarsa e cruciale.

Specialisti di process safety. Verso la sicurezza dell'idrogeno, dove la metodologia esistente si applica con nuovi dati sui rischi.

Cosa portare a casa

La questione irrisolta nell'idrogeno è commerciale, non tecnica, e gran parte dei progetti annunciati non raggiunge mai la decisione di investimento.

Gestire la molecola è la difficoltà ingegneristica: perdite, infragilimento, bassa densità energetica volumetrica e un rischio di innesco diverso dal gas naturale.

Le applicazioni forti sono quelle che già usano idrogeno o non hanno alternative. Quelle deboli sono dove l'elettrificazione diretta vince semplicemente sull'efficienza.

L'efficienza di andata e ritorno è scarsa, il che conta poco per lo stoccaggio stagionale e in modo decisivo per tutto ciò che si potrebbe elettrificare invece.

E, insolitamente per questo dominio, la forza lavoro esiste già in gran parte, in raffinazione, ammoniaca e gas industriali. È un problema di conversione con un percorso breve.