Di fronte ad una domanda energetica in costante aumento, è necessario disporre di fonti di elettricità più sostenibili, sicure e affidabili. Molte fonti rinnovabili, come l'energia solare ed eolica, generano elettricità in modo intermittente, poiché dipendono dalle condizioni meteorologiche e dalla stagione. Inoltre, alcuni sistemi di conversione dell'energia richiedono calore proveniente dalla combustione di combustibili fossili, e il loro adattamento all'uso di combustibili rinnovabili deve avvenire con il minimo scarto possibile. Ecco perché l'adattamento di questi sistemi è una fase cruciale dell'ingegneria per la transizione energetica sostenibile.
Per affrontare queste sfide, è necessario un sistema di accumulo dell'energia adeguato per adeguare l'offerta alla domanda di energia. La capacità di accumulo delle batterie è ancora piuttosto limitata. L'idrogeno, invece, permette di immagazzinare energia per lunghi periodi, garantendo di utilizzare successivamente l’energia immagazzinata.
L'idrogeno è un vettore energetico, cioè una sostanza che facilita il trasporto e l'immagazzinamento di energia per un uso futuro. Inoltre, non è una fonte primaria di energia, in quanto il suo ottenimento richiede un consumo di energia. Quando viene prodotto a partire da elettricità generata da fonti rinnovabili, l'idrogeno viene chiamato idrogeno verde.
Massimizzare il potenziale dell'idrogeno con la simulazione
Tradizionalmente, i progetti vengono convalidati utilizzando prototipi fisici, il che aumenta i costi e i tempi, essendo necessarie continue rielaborazioni. La simulazione accelera lo sviluppo fornendo informazioni sin dalle prime fasi, riducendo la necessità di prototipi fisici. Nel caso dell'idrogeno, queste soluzioni consentono di valutare le prestazioni dei dispositivi negli impianti di reforming, di ottimizzare il processo di elettrolisi, di effettuare analisi di sicurezza sui serbatoi di stoccaggio e di studiare la dinamica della fiamma in diversi rapporti di miscelazione e condizioni operative.
Queste conoscenze sono essenziali per rispondere alle sfide legate all'utilizzo dell'idrogeno e a proporne l'adozione in applicazioni come celle a combustibile, turbine a gas e motori a combustione interna.
Produzione di idrogeno
Reforming a vapore del metano
Attualmente, la maggior parte dell'idrogeno è generato dal processo di Steam Methane Reforming (SMR). Nel quale, il gas naturale e il vapore acqueo vengono riformati in un catalizzatore al nichel a circa 850°C. L'idrogeno così ottenuto è chiamato idrogeno grigio perché emette grandi quantità di sostanze inquinanti. Quando il processo include la cattura e lo stoccaggio del carbonio, l'idrogeno generato è chiamato idrogeno blu.
Elettrolisi dell'acqua
Un metodo più pulito per produrre idrogeno è l'elettrolisi. Consiste nel far passare una corrente elettrica attraverso l'acqua per scindersi in idrogeno e ossigeno. Se l'elettricità utilizzata proviene da fonti rinnovabili, il processo è completamente privo di emissioni.
Tra le varie tecnologie di elettrolisi, la più conosciuta è l'elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM). In questo tipo di elettrolizzatore, uno dei componenti critici è costituito dalle piastre bipolari, che separano i gruppi membrana-elettrodo, distribuiscono l'acqua e l'idrogeno nei canali di flusso e assicurano una conduzione elettrica efficiente.
La simulazione fluidodinamica (CFD) è essenziale per analizzare il flusso multifase nei canali, per calcolare il tasso di generazione di idrogeno e per determinare le frazioni volumetriche delle fasi liquide e gassose. Strumenti come Ansys Meshing aiutano a creare mesh in geometrie complesse per testare diversi progetti, mentre Ansys Fluent offre modelli specifici per PEM e SOEC (elettrolisi degli ossidi solidi).
Stoccaggio dell'idrogeno
Lo stoccaggio dell'idrogeno liquido a temperature criogeniche richiede materiali in grado di resistere al freddo in modo sicuro ed efficace. Durante la distribuzione, è essenziale controllare la temperatura, poiché qualsiasi aumento può causare il ritorno dell'idrogeno allo stato gassoso e la sua fuoriuscita, con conseguenti rischi.
La simulazione svolge un ruolo cruciale in questo scenario, consentendo analisi strutturali avanzate con materiali compositi utilizzando Ansys Mechanical. Ansys Granta, a sua volta, offre un'ampia libreria di materiali e strumenti per la ricerca e la selezione dei sostituti adatti.
Trasporto dell'idrogeno
L'idrogeno è molto più piccolo e leggero dei combustibili fossili e quindi più soggetto a perdite e al rischio di autoaccensione ed esplosione. Il suo alto limite di infiammabilità, unito a bassi livelli di energia di accensione e all'elevata velocità di propagazione della fiamma, lo rendono infiammabile ed esplosivo in varie condizioni. La simulazione consente di studiare i meccanismi che portano all'autoaccensione e di ottimizzare la progettazione dei serbatoi per ridurre al minimo il rischio di perdite.
Utilizzo dell'idrogeno
Per utilizzare l'idrogeno in modo efficiente e sicuro, è essenziale comprenderne le caratteristiche di combustione e i problemi di sicurezza.
Caratteristiche della combustione dell'idrogeno:
- La velocità della fiamma è 8 volte quella del metano.
- Il suo limite di infiammabilità in aria varia dal 4 al 70%, superiore a quello degli idrocarburi.
- Richiede un'energia di accensione 15 volte inferiore rispetto agli idrocarburi.
- Non genera emissioni di CO₂, CO, fuliggine o idrocarburi incombusti.
Problemi di sicurezza:
- Punto di fiamma più elevato: il fatto che la temperatura adiabatica della fiamma sia più elevata presenta vantaggi e svantaggi. Da un lato, aumenta l'efficienza e la stabilità del processo di combustione, ma dall'altro incrementa la generazione di ossidi di azoto (NOx) e pone problemi di protezione dei metalli.
- Quindi, per la corretta progettazione di un dispositivo di combustione, è necessario raggiungere un equilibrio tra efficienza, emissioni e stabilità.
- Ritorno di fiamma: questo fenomeno si verifica quando la velocità del gas in uscita dal bruciatore è inferiore a quella della fiamma. La fiamma si propaga a monte senza spegnersi, danneggiando i componenti. Per evitare il ritorno di fiamma, è possibile simulare la combustione di diverse miscele a base di idrogeno per determinare il rapporto più adatto e aumentare così la durata della camera di combustione.
Figura 4: Ritorno di fiamma in un combustore
Adattamento della tecnologia esistente ai carburanti rinnovabili:
- La soluzione più praticabile a breve termine consiste nel riadattare i motori esistenti e utilizzare miscele di idrogeno-metano.
- L'indice di Wobbe, che confronta l'energia di combustione di diversi gas, è essenziale per garantire l'intercambiabilità dei combustibili e minimizzare l'impatto della sostituzione.
- La simulazione consente di prevedere il comportamento delle miscele di carburante a base di H₂ e di evitare problemi operativi.
Figura 5: Combustione di idrogeno: equilibrio tra emissioni, efficienza e stabilità
Applicazioni di simulazione nel ciclo dell'idrogeno
Produzione:
- Modellazione del reforming del metano a vapore (Ansys Fluent)
- Analisi elettrochimica e fluidodinamica dell'elettrolisi (Ansys Fluent)
Stoccaggio:
- Progettazione di serbatoi criogenici (Ansys Mechanical)
- Ottimizzazione dei compressori (Ansys Fluent, CFX, BladeModeler, Mechanical)
Trasporto:
- Previsione dell'autoaccensione per perdite (Ansys optiSLang)
- Design del serbatoio di idrogeno compresso
Utilizzo:
- Combustione dell'idrogeno: ritorno di fiamma, NOx, miscele combustibili, protezione dei metalli (Ansys Fluent)
- Celle a combustibile per veicoli e generazione di energia
- Combustione nelle turbine a gas (Ansys Fluent)
Figura 6: Le soluzioni di simulazione Ansys coprono tutte le aree di applicazione
Per concludere, la simulazione svolge un ruolo essenziale nel rendere l'idrogeno una soluzione energetica sostenibile, contribuendo alla sua produzione sicura, efficace ed economicamente conveniente.
