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.
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.
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.
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).
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.
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.
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:
Problemi di sicurezza:
Figura 4: Ritorno di fiamma in un combustore
Adattamento della tecnologia esistente ai carburanti rinnovabili:
Figura 5: Combustione di idrogeno: equilibrio tra emissioni, efficienza e stabilità
Produzione:
Stoccaggio:
Trasporto:
Utilizzo:
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.