Misurazione della portata dell’idrogeno: sfide e soluzioni a ultrasuoni

La misurazione della portata dell’idrogeno è più complessa rispetto alla misura del gas naturale a causa di due proprietà fisiche. L’idrogeno trasporta il suono a 1,304.7 m/s a 20 °C e 0.101325 MPa, circa 2,9 volte più velocemente del metano. Inoltre, nelle stesse condizioni, ha una densità circa 8 volte inferiore rispetto al metano (NIST Chemistry WebBook, consultato nel 2026; rapporti calcolati a partire dai dati NIST). La prima proprietà riduce il tempo di permanenza dell’impulso acustico nel gas. La seconda indebolisce l’impulso che raggiunge il ricevitore.

I misuratori ultrasonici a tempo di transito possono misurare l’idrogeno quando i trasduttori, l’elettronica di temporizzazione e il percorso del flusso sono progettati tenendo conto di queste due proprietà. La differenza dei tempi di transito è la differenza tra il tempo impiegato da un impulso acustico per viaggiare nella direzione del flusso e controcorrente; essa varia in funzione della velocità del gas. Questo articolo si concentra sui sistemi OEM: elettrolizzatori PEM e celle a combustibile PEM da 1 a 20 bar, con gas umido e miscelato. La misura in condotte, il blending e il rifornimento sono problemi diversi e vengono trattati solo come contesto.

Perché la misurazione della portata dell’idrogeno è più difficile rispetto a quella del gas naturale?

Passare dal gas naturale o dall’aria all’idrogeno cambia ciò che un misuratore ultrasonico deve rilevare, e i valori NIST riportati di seguito mostrano in quale misura.

Fonte: NIST Chemistry WebBook. L’impedenza è stata calcolata come prodotto tra densità e velocità del suono.

In che modo la velocità del suono nell’idrogeno riduce i tempi di transito

A 20 °C, l’idrogeno trasporta il suono a 1,304.7 m/s alla pressione atmosferica, a 1,391.5 m/s a 10.1 MPa e a 1,910.3 m/s a 70.1 MPa (dati isotermici NIST). Un impulso attraversa lo stesso percorso circa 2,9 volte più velocemente che nel metano.

Nel principio del tempo di transito, il misuratore ricava la velocità del gas dalla differenza tra i tempi di percorrenza a monte e a valle. Un tempo di percorrenza più breve comporta una differenza temporale più piccola per ogni unità di velocità; pertanto, l’elettronica di temporizzazione deve offrire una risoluzione più elevata e la finestra di ricezione deve aprirsi prima per intercettare l’impulso.

Perché la bassa densità indebolisce il segnale ultrasonico nell’idrogeno

L’idrogeno ha una densità di 0.083752 kg/m3 a 20 °C, rispetto a 0.66816 kg/m3 per il metano e 1.1648 kg/m3 per l’azoto. L’impedenza acustica è pari alla densità moltiplicata per la velocità del suono; essa determina la quantità di energia sonora che passa dal trasduttore al gas. Per l’idrogeno è di circa 109 Rayl, rispetto a circa 297 per il metano e circa 407 per l’azoto (calcolato a partire dai dati NIST).

I trasduttori devono collegare un materiale attivo ad alta impedenza e un gas a bassa impedenza, come descritto da Gani, O'Leary e Galbraith (IEEE Sensors Journal, 2026). Nell’idrogeno, il disadattamento è maggiore, una quantità inferiore di energia entra nel gas e il rapporto segnale-rumore (SNR: la forza dell’impulso ricevuto rispetto al rumore elettrico e acustico di fondo) diminuisce. Il segnale debole nasce quindi già all’interfaccia del trasduttore, rendendo la progettazione del trasduttore il primo elemento su cui intervenire.

La temperatura deve essere misurata vicino al percorso acustico. La velocità del suono dell’idrogeno aumenta di circa 2.07 m/s per K tra 0 e 100 °C, rispetto a circa 0.65 m/s per K nel metano (entrambi i valori sono calcolati a partire dai dati NIST). Lo stesso errore di temperatura modifica la velocità del suono nell’idrogeno di circa tre volte tanto; ogni valore di portata o composizione calcolato a partire da tale velocità presenta lo stesso errore.

Misurazione della portata dell’idrogeno negli elettrolizzatori PEM e nelle celle a combustibile

I flussi di idrogeno OEM sono umidi e cambiano composizione durante il funzionamento; pertanto, un misuratore calibrato per idrogeno puro e secco rileva un gas diverso da quello presente nel circuito. La pressione è generalmente compresa tra 1 e 20 bar, il che riduce ulteriormente la densità.

Idrogeno umido all’uscita dell’elettrolizzatore PEM

L’acqua (18.0153 g/mol) è circa 9 volte più pesante dell’idrogeno (2.01588 g/mol), secondo NIST. Anche pochi punti percentuali di vapore acqueo all’uscita di un elettrolizzatore modificano quindi in modo significativo la massa molare e la velocità del suono della miscela: il 5% molare di acqua aumenta la massa molare di circa il 40% (calcolo basato su una miscelazione ideale). Nell’elettrolisi alcalina, i misuratori ultrasonici operano anche sul lato liquido, dove monitorano la concentrazione dell’elettrolita KOH insieme alla sua portata.

Miscele H2/N2/H2O nel ricircolo dell’anodo delle celle a combustibile

Il ricircolo dell’anodo è il circuito di una cella a combustibile PEM che restituisce all’ingresso l’idrogeno non utilizzato, insieme ad azoto e vapore acqueo, dall’uscita dello stack. Il mezzo ricircolato si arricchisce di azoto più pesante, modificando le proprietà della miscela. In un modello di ricircolo dell’anodo, lo spurgo inizia quando il rapporto idrogeno/azoto scende al di sotto di 80:20 in volume; la capacità termica specifica della miscela diminuisce da circa 9.000 a circa 4.000 J/(kg·K) man mano che aumentano azoto e vapore acqueo (Nachtigal et al., ETC 2023).

Una lettura della portata che presuppone idrogeno puro deriva man mano che aumenta la quantità di azoto. Il monitoraggio della composizione nel circuito mediante la misurazione della composizione basata sulla velocità del suono (lettura della miscela di gas a partire dalla sua velocità del suono) mantiene valide le letture di volume e massa e indica il momento dello spurgo.

Bassa pressione, bassa portata e transitori nei sistemi OEM

La bassa pressione riduce la densità e indebolisce ulteriormente l’accoppiamento. I misuratori clamp-on richiedono una pressione minima del fluido circa tre volte superiore rispetto a quella necessaria per il gas naturale (Hoheisel e Schwede, GFMW 2024); per i circuiti a bassa pressione sono quindi necessarie geometrie in linea progettate per l’idrogeno.

L’avviamento, le variazioni di carico e gli spurghi producono cambiamenti rapidi nella portata e nella composizione, quindi il tempo di risposta è importante. Il turndown, ovvero il rapporto tra la portata massima e minima che un misuratore può misurare entro la precisione dichiarata, determina se un solo misuratore può coprire sia il funzionamento al minimo sia il pieno carico. L’elettrolisi su scala di laboratorio e i banchi prova richiedono inoltre una portata minima ridotta.

Quali fattori influenzano la precisione della misurazione della portata dell’idrogeno?

Oltre all’acustica, quattro fattori determinano il budget di errore di una lettura della portata dell’idrogeno: composizione del gas, uscita in massa o volume, metodo di calibrazione e compensazione di pressione e temperatura.

Secondo uno studio di TÜV SÜD NEL, VSL e DNV (Chinello et al., 2025), alcuni modelli ultrasonici richiedono una correzione per il bias dovuto alla composizione del gas. Nei test su misuratori di gas a bassa pressione per idrogeno puro, un’impurità di azoto del 2% ha influenzato la portata volumetrica ultrasonica (Mussard et al., Hydrogen, 2026).

Scegliere deliberatamente l’uscita in massa o in volume. La portata volumetrica è il volume per unità di tempo alle condizioni di linea; la portata massica è espressa in chilogrammi per unità di tempo e richiede la densità, che dipende da pressione, temperatura e composizione. Il volume normale (standard) converte la lettura a pressione e temperatura di riferimento fisse, rendendo confrontabili i valori.

A titolo di confronto, la norma OIML R 139 stabilisce le classi di precisione 2 e 4 per i sistemi di erogazione dell’idrogeno, con un errore massimo ammissibile dell’1,5% per un misuratore di classe 2; la misura per il rifornimento e il trasferimento di custodia sono problemi di misura distinti.

Calibrazione dei misuratori di portata dell’idrogeno con gas sostitutivi

La MetroHyVe 2 Good Practice Guide (2023) afferma che non esistono impianti di calibrazione della portata riferibili che operino con idrogeno a pressioni realistiche (fino a 700 bar) e temperature comprese tra -40 e 50 °C. Per questo motivo, la maggior parte dei misuratori viene calibrata con aria, azoto, acqua o elio. Nella stessa guida, la calibrazione con aria e azoto ha prodotto incertezze estese dallo 0,67% allo 0,77% alle portate inferiori, mentre con acqua i valori erano compresi tra 0,16% e 0,42%. La calibrazione dell’idrogeno accreditata secondo ISO 17025 è poco diffusa.

L’adeguamento del numero di Reynolds, il rapporto adimensionale tra forze inerziali e viscose che descrive il profilo di flusso, consente di trasferire la calibrazione da un gas a un altro. A numeri di Reynolds simili, tuttavia, l’idrogeno scorre circa 7 volte più velocemente del gas naturale (Krajcin, Chudoba e Laan, GFMW 2022). Cavuoto et al. (Int. J. Hydrogen Energy, 2025) utilizzano l’elio come fluido di riferimento perché la sua velocità del suono è più vicina a quella del gas ricco di idrogeno, raggiungendo un’incertezza estesa dello 0,09% (k=2).

Materiali, infragilimento e requisiti ATEX per i misuratori di portata dell’idrogeno

L’infragilimento da idrogeno è la perdita di duttilità di alcuni metalli quando gli atomi di idrogeno penetrano nel materiale; ciò può provocare cricche sotto sforzo. Sandia National Laboratories riferisce che l’acciaio inossidabile 316 è più resistente alla frattura assistita dall’idrogeno rispetto alla maggior parte degli altri acciai inossidabili austenitici. La stessa fonte osserva che la resistenza aumenta con il contenuto di nichel e che l’infragilimento è massimo vicino a 200 K. 

L’idrogeno è inoltre una molecola di piccole dimensioni, che permea e fuoriesce facilmente; è quindi necessario controllare le guarnizioni e i diaframmi dei sensori oltre al corpo del misuratore. L’idrogeno è un gas del Gruppo IIC, pertanto l’elettronica installata in aree pericolose deve disporre della certificazione ATEX o IECEx corrispondente al gruppo e alla zona.

I misuratori ultrasonici possono misurare l’idrogeno?

I misuratori ultrasonici a tempo di transito misurano idrogeno puro e miscele di idrogeno quando l’impedenza del trasduttore, la frequenza, l’elettronica di temporizzazione e il percorso del flusso sono progettati per la velocità del suono e la densità dell’idrogeno. Ogni modifica progettuale riportata di seguito risponde a uno specifico problema dell’idrogeno, dal segnale debole alla sensibilità alla temperatura:

-        Segnale debole: i trasduttori con strati di adattamento a bassa impedenza aumentano l’energia che entra nel gas (Gani et al., 2026).

-        Crosstalk: il suono che viaggia attraverso il corpo del misuratore o la parete del tubo e raggiunge il ricevitore prima dell’impulso che attraversa il gas viene gestito mediante filtri e impostazioni di frequenza (Krajcin, Chudoba e Laan, GFMW 2022).

-        Tempi di transito brevi: un’elettronica di temporizzazione rapida e finestre di ricezione anticipate intercettano l’impulso.

-        Bassa pressione: una geometria del percorso del flusso progettata per la bassa pressione mantiene utilizzabile il segnale.

-        Sensibilità alla temperatura: la temperatura viene misurata vicino al percorso acustico.

Il metodo non presenta parti mobili e determina una perdita di pressione trascurabile in un condotto rettilineo, un aspetto importante negli elettrolizzatori poiché recuperare pressione è costoso.

Come si misura la concentrazione di idrogeno in una miscela di gas?

La velocità del suono dipende dalla massa molare secondo c = √(γRT/M), dove γ è il rapporto delle capacità termiche, R la costante dei gas, T la temperatura e M la massa molare. La velocità del suono misurata e la temperatura consentono quindi di determinare il rapporto di miscelazione di una miscela nota di due gas; trasduttori ultrasonici microlavorati hanno distinto variazioni inferiori al 2% molare di idrogeno nelle miscele di gas naturale (Monsalve et al., 2024). Per il gas a tre componenti H2/N2/H2O presente in un circuito di una cella a combustibile, una misurazione separata dell’umidità determina la quota d’acqua, mentre la velocità del suono fornisce il rapporto H2/N2.

Limiti della misurazione ultrasonica della portata dell’idrogeno

La misura ultrasonica nell’idrogeno presenta cinque limiti dichiarati:

-        Bias di composizione: alcuni modelli ultrasonici richiedono una correzione per il bias dovuto alla composizione del gas (Chinello et al., 2025).

-        Misuratori progettati per il gas naturale: nel primo confronto interlaboratorio europeo con una percentuale di idrogeno fino al 20%, un misuratore ultrasonico progettato per il gas naturale ha mostrato una riproducibilità limitata, con un’incertezza standard dello 0,50% (Mussard et al., 2026).

-        Trasferimento della calibrazione: la calibrazione con aria, azoto, acqua o elio aggiunge incertezza, poiché nessun impianto di calibrazione della portata riferibile opera con idrogeno a pressioni e temperature realistiche (MetroHyVe 2, 2023).

-        Risultati sul campo: un misuratore clamp-on ha sovrastimato di circa l’1,5% rispetto a un misuratore ultrasonico in linea a DN250 e ha mostrato una deviazione media di circa l’1% rispetto a tre misuratori Coriolis a DN400 (Hoheisel e Schwede, GFMW 2024).

-        Intervallo di composizione: la velocità del suono fornisce il rapporto di miscelazione solo quando il gas è una miscela nota di due gas.

Qual è il misuratore di portata migliore per il gas idrogeno?

Nessun singolo tipo di misuratore è adatto a tutte le applicazioni con idrogeno. I misuratori Coriolis misurano direttamente la massa e sono la scelta predefinita per il rifornimento, mentre i circuiti OEM a bassa pressione richiedono spesso altri tipi di soluzioni. La tabella confronta i principali tipi per l’idrogeno.

La scelta corretta dipende dalla pressione, dalla composizione, dalla necessità di misurare massa o volume e dal fluido di calibrazione.

Misuratore di portata dell’idrogeno Allengra per miscele H2/N2/H2O

L’Allengra Hydrogen Flow Meter è un misuratore ultrasonico per l’idrogeno umido, a composizione variabile e a bassa pressione presente negli elettrolizzatori PEM e nei circuiti delle celle a combustibile. Un unico dispositivo misura la portata volumetrica, la portata massica, l’umidità, la temperatura, la pressione e la composizione H2/N2/H2O. Le applicazioni previste sono il ricircolo dell’anodo delle celle a combustibile PEM, gli elettrolizzatori, il monitoraggio degli stack delle celle a combustibile e i banchi prova.

Ogni specifica corrisponde a un problema di misurazione dell’idrogeno nei sistemi OEM:

-        Umidità e composizione: la lettura dell’umidità consente al misuratore di separare il vapore acqueo dalla quota di azoto nel gas H2/N2/H2O.

-        Intervallo di pressione: il valore inferiore di 0.8 bar(a) copre i circuiti a bassa pressione, dove la densità è minima.

-        Tempo di risposta: l’avviamento, le variazioni di carico e gli spurghi producono cambiamenti rapidi che una risposta inferiore a 0.5 s è progettata per seguire.

-        Uscite e interfacce: sono disponibili sia la portata massica sia quella volumetrica, con CAN-Bus e Modbus per il sistema di controllo.

Varianti, disegni e scheda tecnica sono disponibili nella pagina prodotto Allengra dedicata a questo misuratore, che consente anche di richiedere un’offerta. Per il lato aria del catodo, il misuratore Allengra per l’aria di aspirazione delle celle a combustibile misura l’aria umida con lo stesso metodo ultrasonico.

Misurare la portata dell’idrogeno nella pratica: intervista con il reparto R&D di Allengra

Per capire come questi effetti si manifestano nei sistemi reali, abbiamo posto a Cristian Berindea, R&D Engineer presso Allengra, quattro domande sulla misurazione pratica dell’idrogeno.

1. Quali sfide affrontate quando misurate l’idrogeno?

Le principali sfide che affrontiamo sono legate alla gestione del gas stesso. Poiché l’idrogeno viene stoccato in bombole ad alta pressione (oltre 250 bar), le bombole devono essere fissate e maneggiate con grande attenzione quando vengono collegate al banco prova.

L’idrogeno è inoltre un gas altamente infiammabile, quindi dobbiamo adottare ampie precauzioni di sicurezza per garantire che i test e la calibrazione possano essere eseguiti in condizioni adeguate e sicure.

Dal punto di vista dell’integrazione dell’idrogeno in un banco prova, un’altra difficoltà è la sua bassa densità (circa 14 volte inferiore a quella dell’aria), che rende particolarmente difficile sigillare il sistema. Pertanto, i sensori devono essere controllati accuratamente in corrispondenza delle saldature e dei punti di collegamento per evitare anche le perdite più piccole, che potrebbero avere gravi conseguenze.

2. In quali altri progetti sono stati coinvolti i nostri sensori, oltre a MiNaMi (il progetto che sviluppa il primo sistema europeo di celle a combustibile PEM da megawatt per il trasporto marittimo)?

La stragrande maggioranza dei progetti a cui partecipiamo, attraverso collaborazioni con diverse aziende, è focalizzata sullo sviluppo e sul miglioramento delle celle a combustibile.

Un buon esempio è l’utilizzo dei nostri sensori nel settore aerospaziale, con partner come ZeroAvia, MTU, H2Fly e DLR. Questi progetti si concentrano sullo sviluppo di celle a combustibile per la propulsione degli aeromobili, coinvolgendo principalmente prototipi e velivoli sperimentali, con l’obiettivo a lungo termine di eliminare completamente le emissioni di CO₂.

3. I sensori ultrasonici sono la soluzione migliore per l’idrogeno? Se sì, perché?

In generale, i sensori ultrasonici sono considerati una delle migliori opzioni per la misurazione della portata dell’idrogeno.

Più nello specifico, i sensori ultrasonici Allengra forniscono una soluzione di misurazione della portata con una perdita di pressione minima nel sistema, poiché non presentano componenti meccanici che ostacolano il flusso.

I sensori Allengra possono inoltre determinare la composizione dei gas misurati. Ciò consente di identificare la miscela di gas presente nel sistema e l’umidità relativa del gas.

I sensori ultrasonici sono anche una soluzione scalabile, poiché possono essere facilmente adattati a diverse portate e diametri dei tubi.

4. Dove è necessario misurare la portata dell’idrogeno? Quali sono le applicazioni?

I nostri misuratori di portata vengono generalmente utilizzati nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori.

Nelle applicazioni con celle a combustibile, vengono utilizzati più comunemente nel circuito di ricircolo dell’anodo, dove la portata dell’idrogeno non utilizzato viene misurata prima che venga ricircolato e riutilizzato per massimizzare l’efficienza del sistema.

In questo caso è possibile misurare anche la purezza dell’idrogeno, la composizione del gas e l’umidità. Queste informazioni aiutano a determinare l’efficienza del funzionamento del sistema, compresa la capacità di separare e gestire il vapore acqueo presente nel sistema.

Esempi di applicazioni:

●       Alimentazione di riserva per data center e ospedali: i sistemi a celle a combustibile di Ceres Power forniscono un’alimentazione affidabile e continua senza dipendere dalla rete elettrica locale.

●       Elettrolisi dell’idrogeno: misurazione della portata e della quantità di idrogeno prodotto mediante elettrolisi dell’acqua.

●       Generazione di elettricità mediante celle a combustibile: per applicazioni industriali in aree remote senza accesso affidabile all’elettricità, generalmente per produzioni di piccola e media scala e per attività minerarie. In alcuni casi, le celle a combustibile vengono utilizzate anche per il riscaldamento come sottoprodotto della generazione elettrica, aumentando l’efficienza complessiva del sistema sfruttando l’energia termica invece di sprecarla.

●       Settore dei trasporti: i sistemi a celle a combustibile alimentati a idrogeno non sono ancora utilizzati su larga scala, ma sono già implementati in autobus, camion e autovetture.

Buone pratiche per la misurazione della portata dell’idrogeno: checklist delle specifiche OEM

Utilizzate questa checklist in una richiesta di scheda tecnica o durante una revisione progettuale.

Per discutere di un sistema specifico, richiedete un’offerta ad Allengra allegando la checklist compilata.