Nel passaggio dai combustibili fossili a fonti alternative a zero emissioni di carbonio, i cuscinetti magnetici attivi sono impiegati nelle nuove tecnologie che guidano la rivoluzione energetica. La produzione e il trasporto di idrogeno rappresentano in particolare un’area di potenziale sviluppo.

Sebbene la produzione si affidi oggi prevalentemente ai combustibili fossili, l’idrogeno può essere ottenuto anche mediante elettrolisi dell’acqua. Se il processo è alimentato da fonti rinnovabili, l’idrogeno “verde” prodotto origina energia pulita, senza emissioni inquinanti. Rispetto ad altri vettori energetici, l’idrogeno presenta potenziali vantaggi in molte applicazioni. La sua densità energetica relativamente elevata può renderlo il propellente ideale per navi, aerei o automezzi pesanti.

La combustione dell’idrogeno, inoltre, è un modo pulito per generare le alte temperature necessarie nella produzione dell’acciaio e in altri processi industriali e chimici. L’idrogeno è un elemento chiave per la produzione di carburanti liquidi sintetici, che potrebbero essere un’alternativa ai combustibili fossili.

Per essere trasportato e conservato nella sua forma gassosa, l’idrogeno deve essere liquefatto. I cuscinetti magnetici attivi offrono in questo caso gli stessi vantaggi che nelle applicazioni con idrocarburi. In molti dei modelli proposti per la produzione di idrogeno verde, le turbomacchine efficienti e affidabili costituiscono un elemento critico, come nel caso dell’utilizzo di enormi parchi solari nelle zone desertiche del Medio Oriente o dell’Australia, o la produzione in prossimità di parchi eolici.

Più sviluppo nello stoccaggio

Il processo di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (Carbon Capture, Use and Storage, CCUS) rappresenta un ulteriore ambito di sviluppo per i cuscinetti magnetici. Le tecnologie CCUS sono concepite per evitare il rilascio nell’atmosfera delle emissioni di gas serra tramite la cattura della CO2 e il suo trasporto e stoccaggio in luoghi idonei, quali giacimenti esauriti di petrolio e gas. Come per l’idrogeno, anche molte tecnologie CCUS devono avvalersi di compressori efficienti e su larga scala.

Un cuscinetto magnetico è simile a un motore elettrico.

Caratterizzato da un forte sviluppo è anche il campo legato alla produzione del cosiddetto idrogeno “blu”, che viene ottenuto mediante processi tradizionali associati a tecnologie CCUS. In questo modo si continuano a impiegare le risorse fossili, ma il loro impatto sul cambiamento climatico viene mitigato all’origine. Anche in questo settore servono turbomacchine efficienti per gestire i flussi di gas in ingresso e di idrogeno e CO2 in uscita.

Il passaggio dai combustibili fossili a fonti alternative a basse o zero emissioni rappresenta il cambiamento più rilevante nel sistema energetico mondiale dell’ultimo secolo. Per compierlo, sono necessari cambiamenti radicali sia da parte dei produttori di energia sia degli utilizzatori e della società in generale. Così come sono necessari macchinari rotanti puliti ed efficienti, per i quali i cuscinetti magnetici attivi possono offrire ai costruttori una soluzione di comprovata efficacia, affidabile e robusta, per rispondere ad alcune delle principali sfide tecniche da affrontare.

I compressori sottomarini di gas rappresentano una parte vitale, seppur meno evidente, dell’attuale sistema energetico globale, poiché consentono di incrementare il tasso di recupero dei giacimenti esistenti. Appoggiate sul fondo del mare, a centinaia di metri di profondità, queste potenti macchine comprimono il gas naturale in condotti che dai pozzi offshore lo portano alle strutture di ricezione a terra. Devono funzionare 24 ore al giorno, 365 giorni all’anno, e le possibilità di effettuare ispezioni, manutenzioni o riparazioni sono poche.

La diminuzione di pressione causa l’esaurimento di molti dei giacimenti sottomarini. Con l’uso di cuscinetti magnetici attivi sulle piattaforme e nelle applicazioni sottomarine, si riduce l’impatto ambientale sia dal punto di vista costruttivo che operativo. Il gas aggiuntivo favorisce inoltre la transizione verso un’energia più sostenibile.

Le apparecchiature che operano in condizioni così estreme richiedono un alto grado di specializzazione ingegneristica. Nella progettazione dei compressori, i cuscinetti sono tra i componenti più critici, poiché devono operare in presenza di carichi e velocità elevati, assicurare durate di esercizio decennali e non richiedere registrazioni o lubrificazioni post installazione.

Un’opzione attraente

Molti dei principali produttori mondiali di apparecchiature offshore considerano la tecnologia dei cuscinetti magnetici attivi SKF la soluzione ideale per queste applicazioni. Un cuscinetto magnetico è simile a un motore elettrico. Nell’alloggiamento del cuscinetto è incorporato uno statore con avvolgimenti di rame, attraverso i quali circola la corrente elettrica che genera il campo magnetico. Questo produce una forza di attrazione sui componenti del rotore fissati all’albero e lo sostengono in assenza di contatto.

Quando l’albero ruota, una tecnologia proprietaria con sensori di posizione ne traccia la posizione, mentre un sistema di elaborazione del segnale ad alta velocità regola continuamente il flusso di corrente applicata agli avvolgimenti dello statore. In questo modo l’albero levita all’interno del cuscinetto, con un gioco compreso tra 0,15 mm e 0,5 mm, a seconda dell’applicazione.

La rotazione in assenza di contatto fa sì che i cuscinetti magnetici non siano soggetti a usura meccanica e non richiedano la lubrificazione a olio. Caratteristiche, queste, che offrono lunghe durate di esercizio, in assenza di manutenzione. Dal 2015 i cuscinetti magnetici SKF operano ininterrottamente in applicazioni sottomarine e la loro durata nominale è di oltre 30 anni. Quelli impiegati in alcune turbomacchine costruite negli anni ’80 sono tuttora funzionanti.

Basso sviluppo di calore, pulizia e robustezza

Oltre a durare a lungo, i cuscinetti magnetici attivi offrono numerosi altri vantaggi. Poiché non richiedono lubrificazione, si evita il rischio di perdite di lubrificante che potrebbero contaminare i fluidi di processo o inquinare l’ambiente. Inoltre, possono operare a temperature molto basse o molto elevate, senza necessità di complicati sistemi di riscaldamento o raffreddamento per proteggere il lubrificante.

Questo si traduce in un notevole risparmio energetico. Nell’applicazione di un turboespansore da 6 MW in un processo petrolchimico, i cuscinetti tradizionali consumavano da 50 a 100 kW di potenza per azionare i riscaldatori, i sistemi di raffreddamento e le pompe di lubrificazione. Adottando la soluzione con i cuscinetti magnetici attivi SKF, il produttore ha registrato una perdita di potenza inferiore di almeno un fattore 10 rispetto alla soluzione con i cuscinetti a film d’olio.

Il sistema di controllo attivo dei cuscinetti magnetici può anche compensare automaticamente i carichi di processo o lo squilibrio della macchina. Inoltre, i dati raccolti dal controller funzionano come un sistema integrato di condition monitoring, fornendo agli operatori valide informazioni sulle vibrazioni, che possono essere utilizzate per diagnosticare problemi o prevedere guasti incipienti.

Impiegati in svariati settori, i cuscinetti magnetici attivi sono ideali nelle applicazioni in cui pulizia, silenziosità e affidabilità a lungo termine sono priorità assolute. I tipi più piccoli sono comunemente impiegati nelle applicazioni di pompe per vuoto micromolecolari ad alte prestazioni per la produzione di semiconduttori, nei compressori degli impianti di refrigerazione e nei chopper per fasci di neutroni.

Nel settore energetico

Negli ultimi 10 anni il settore energetico è diventato il principale mercato dei cuscinetti magnetici attivi di grandi dimensioni. A determinare la crescita della domanda è stata in gran parte l’evoluzione del mercato del petrolio e del gas, in particolare lo sfruttamento delle riserve di gas offshore in acque più profonde e in località sempre più remote.

Questa tecnologia viene utilizzata anche in numerose applicazioni su terra ferma. Negli ultimi anni il gas naturale liquefatto (GNL) ha trasformato i mercati dell’energia, poiché le metaniere adibite al trasporto sono essenziali per collegare produttori e clienti in mercati troppo distanti da raggiungere attraverso i gasdotti. Oggi i cuscinetti magnetici sono ampiamente utilizzati per eliminare il gas flaring, cioè la combustione di gas indesiderato, e ottimizzare il trasporto di GNL con compressori di boil-off avanzati dotati di motori elettrici ad alta velocità. Questi motori SKF possono ruotare fino a 60.000 giri/min con potenze fino a 1 MW. I cuscinetti magnetici sono inoltre impiegati nei turboespansori utilizzati per aumentare l’efficienza energetica e per massimizzare la produttività nelle applicazioni di idrocarburi e in altri processi di lavorazione di gas, come l’idrogeno, nei separatori d’aria e nelle applicazioni petrolchimiche.