Progettazione di un impianto per la produzione di idrogeno verde

Uno studio sulle tecnologie attuali per la produzione di idrogeno, comprensive di membrane per gli elettrolizzatori e stato dell'arte di esse. Assieme a questo una breve valutazione numerica di un impianto con relative componenti.

Modellazione CFD dell'Idrogeno Gassoso nell’Impiego come Combustibile Sintetico in Motori ad Accensione Comandata

L’aumento della quantità di inquinanti emessi in atmosfera, legati all’attività antropica che si è osservato negli ultimi anni, ha portato all’emanazione di normative allo scopo di migliorare la qualità dell’aria e mitigare il cambiamento climatico. I settori responsabili di queste emissioni sono molteplici ma quello dei trasporti risulta essere uno dei maggiori indagati, condizione che ha portato ad una maggiore complessità dei motori a combustione interna, cercando così di ridurre l’impatto che hanno sull’ambiente, il clima e la salute umana. Nonostante tutto, l’abbassamento continuo dei limiti massimi, relativi alla quantità di sostanze che possono essere emesse dai veicoli, ha spinto le case automobilistiche a ricercare nuovi sistemi di propulsione. In questo contesto di riduzione degli inquinanti, sta assumendo una posizione di rilievo la scelta di utilizzare l’idrogeno come combustibile alternativo, concetto che verrà approfondito in questa tesi. Tenendo presente che un ciclo motore è suddiviso in 4 fasi: aspirazione, compressione, espansione e scarico, nell’elaborato di questa tesi, verranno analizzate la sola compressione e successiva combustione sfruttando il software di simulazione AVL FIRE. Lo studio prevede la realizzazione di un modello in grado di descrivere e simulare in maniera realistica il fenomeno di combustione dell’idrogeno e la definizione di una procedura per la caratterizzazione dei parametri di iniezione, prestando particolare attenzione all’influenza che questi hanno sul processo di formazione della miscela in modo da giungere ad una configurazione ottimale. Inizialmente sarà utilizzata una geometria con un iniettore a foro singolo posizionato centralmente, la quale progressivamente verrà modificata allo scopo di ottenere una rappresentazione sempre più simile alla condizione reale.

Studio e ottimizzazione della produzione di radioisotopi per radiofarmaci mediante generatori compatti di neutroni

I generatori compatti di neutroni possono rappresentare un grande progresso nell'ambito della Medicina Nucleare. Sono una valida alternativa rispetto ai metodi tradizionali per la produzione dei radioisotopi necessari per la sintesi dei radiofarmaci, e permettono di esplorare e sviluppare nuove metodologie radioterapeutiche innovative, complementari e potenzialmente più efficaci rispetto a quelle già esistenti. Enea sta portando avanti due progetti in questo ambito. Il primo, SORGENTINA-RF, è volto allo sviluppo di una macchina in grado di produrre un fascio di neutroni a 14MeV, con la quale irradiare un target di molibdeno metallico, in modo da ottenere tecnezio-99 metastabile (99mTc), il radioisotopo più usato al mondo nelle procedure di imaging biomedico. Il secondo progetto, LINC-ER, ha lo scopo di progettare le infrastrutture necessarie ad accogliere un generatore compatto di neutroni, il cui scopo sarà quello di eliminare le residue cellule tumorali dopo un intervento chirurgico, a ferita aperta, in modo simile alle attuali tecniche di radioterapia intraoperatoria, che però sfruttano elettroni o raggi X. Questo lavoro di tesi trova posto in questi progetti perché ha contributo a portare avanti le ricerche in due aspetti specifici. Nel caso di SORGENTINA-RF, sono stati studiati tutti gli aspetti radiochimici per ottenere dal molibdeno metallico la soluzione liquida di molibdato sodico da cui si estrae il 99mTc. In questo caso si è deciso di puntare su processo “green” e innovativo basato sull’uso di perossido di idrogeno. Durante la tesi si sono studiati i più importanti fattori che governano questo processo e si è definito un meccanismo chimico che lo spiega. Nel caso di LINC-ER, invece, il lavoro sperimentale è stato quello di studiare metodi e rotte sintetiche nuove per ottenere nanoparticelle di composti di boro e bario, dispersi in hydrogels in grado di amplificare gli effetti del fascio neutronico sui tessuti cancerogeni e ridurli su quelli sani.

Controllo della combustione nei motori alimentati a idrogeno

L’idrogeno utilizzato nei motori a combustione interna potrebbe rappresentare il ponte in grado di fornire tempo e spazio per la completa transizione all’elettrico. L’idrogeno ha tutte le carte in regola per assumere un ruolo di primaria importanza nel contesto odierno: infatti, miscelandosi con l’aria e affrontando la combustione, elimina tutte le emissioni di CO, CO2 e HC, lasciando solo le emissioni di NOx. In più permetterebbe di utilizzare una tecnologia già conosciuta e studiata, cioè il motore a combustione interna. In questo elaborato sono trattate le caratteristiche dell’idrogeno come combustibile e confrontate le due possibili configurazioni per un motore a idrogeno con accensione comandata (DI e PFI), arrivando così ad affrontare l’aspetto principale dell’elaborato, cioè il controllo della combustione in questo tipo di motore.

Vettore energetico idrogeno: specificità per un'adeguata sperimentazione

L'elaborato analizza, in maniera generica, come avviene la produzione, lo stoccaggio ed il trasporto dell'idrogeno e valuta i mezzi che sfruttano l'idrogeno come combustibile: i veicoli a fuel cell e i veicoli con motori a combustione interna alimentati a idrogeno (H2ICE). Poiché le proprietà dell'idrogeno sono molto diverse rispetto a quelle dei combustibili convenzionali, queste nuove tecnologie necessitano di celle di prova appositamente progettate e dimensionate. L'elaborato, pertanto, descrive nel dettaglio quali sono le normative, le strumentazioni e gli standard da rispettare per garantire che, all'interno della sala, i test possano essere eseguiti in totale sicurezza. Inoltre, vengono esaminati i sistemi di consegna e dosaggio dell'idrogeno, passando poi al sistema di ventilazione che gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento dei test. Infine, sono riportati esempi di specifici set-up sperimentali volti allo studio delle problematiche riscontrate nei motori a combustione interna alimentati a idrogeno. Nel primo set-up, vengono descritti i sistemi di controllo, il tipo di motore e tutti i sensori utilizzati per analizzare l'impatto che ha l'EGR sui motori H2ICE; mentre, nel secondo, vengono esaminati i fattori che inducono la detonazione e la relativa frequenza.

Sviluppo e valutazione di un modello GT-Power di un motore sovralimentato ad accensione comandata e iniezione diretta alimentato ad idrogeno

Negli ultimi decenni sempre più attenzione è stata posta sugli effetti derivanti dalla produzione dell'energia. In particolare, emissioni di specie inquinanti e gas serra sono state oggetto di continue limitazioni al fine di raggiungere soluzioni energetiche sempre meno climalteranti. Ciò ha evidenziato la necessità di sviluppare nuove soluzioni inerenti alla mobilità sostenibile. Tra le possibili soluzioni, l'utilizzo di idrogeno rappresenta una delle più promettenti grazie alle proprietà chimiche che lo contraddistinguono. L'impiego di tale elemento come combustibile in un tradizionale motore a combustione interna propriamente convertito garantirebbe la possibilità di una transizione energetica progressiva grazie all'utilizzo di una tecnologia già ampiamente consolidata e avanzata. Questo lavoro si concentra sullo sviluppo di un modello 1D di un motore a combustione interna alimentato ad idrogeno per studiarne le potenzialità. Al fine di ottenere dati attendibili, si è sviluppato e validato un modello su un motore noto di cui i dati in benzina erano disponibili. Successivamente, tale modello è stato convertito all'utilizzo di idrogeno. Completata la conversione sono state svolte svariate prove al variare dei principali parametri motoristici quali: lambda, anticipo d'accensione, giri, carico. Il modello sviluppato ha mostrato risultati comparabili con i dati attualmente disponibili in letteratura al variare delle diverse condizioni operative. In particolare, alte efficienze e basse emissioni sono garantite da combustioni magre, tuttavia alti carichi non possono essere raggiunti per limiti derivanti dal gruppo di sovralimentazione. Sono stati ottenuti promettenti risultati che incoraggiano uno sviluppo avanzato del modello, con l’obbiettivo futuro di effettuare esperimenti con l’idrogeno su un motore reale.

Simulazioni preliminari per la conversione di un motore turboalbero aeronautico al funzionamento ad idrogeno

Nella presente tesi si è realizzato uno sviluppo di base per l'implementazione di un motore turboalbero aeronautico all’utilizzo ad idrogeno. La parte iniziale dell'elaborato descrive le caratteristiche e i benefici dell’utilizzo di questo combustibile innovativo e riporta, poi, le principali modifiche hardware, presenti in letteratura, necessarie per l’implementazione voluta su un motore fisico. Vengono, poi, illustrati i modelli di combustori necessari per un corretto funzionamento del sistema propulsivo, oltre all’eventuale necessità di uno scambiatore di calore. Nella parte centrale della tesi, invece, é descritta la conversione di un modello MatLab Simulink del motore Allison 250 c18, esplicando e documentando le principali modifiche apportate riguardo alla creazione delle mappe del modello dinamico utile a ricavare le caratteristiche termodinamiche del flusso in camera di combustione e all'uscita da essa. Viene inoltre mostrato il metodo di utilizzo degli script CEA forniti dalla NASA, valido per desumere le proprietà dei gas post combustione, oltre che per la creazione delle funzioni di interpolazioni. Sono state svolte, infine, diverse simulazioni, con lo scopo di ricavare le portate corrette di combustibile ed osservare gli andamenti dei parametri fondamentali del sistema propulsivo, come: le portate elaborate, le potenze generate, le temperature e le pressioni ottenute.

Valutazione ingegneristica di alcuni aspetti del ciclo di vita degli impianti per la produzione, il trasporto, lo stoccaggio e l’utilizzo di idrogeno

La domanda energetica mondiale è cresciuta significativamente negli ultimi decenni e la maggior parte dell’energia attualmente prodotta deriva da combustibili fossili. Una delle sfide attuali è quella di ridurre le emissioni di gas serra generate dalla produzione di energia tramite risorse non rinnovabili. A tal riguardo, la ricerca di nuovi vettori energetici e lo sviluppo di nuovi processi per la produzione di energia da risorse rinnovabili costituiscono alcuni tra gli elementi necessari per raggiungere tale obiettivo. L’idrogeno, allo stato attuale, è considerato uno dei vettori energetici più promettenti; tuttavia presenta degli svantaggi a causa delle sue caratteristiche chimico-fisiche. Infatti esso presenta un ampio campo di infiammabilità, una bassa energia di ignizione, delle dimensioni molecolari piccole al punto da renderne complesso il contenimento; inoltre, la bassa densità del fluido causa dei problemi per quanto riguarda lo stoccaggio ed il trasporto. In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi, che è stato sviluppato durante un tirocinio svolto presso una società di ingegneria operante nel settore “Oil&gas”. Lo scopo di questo elaborato è quello di valutare la possibilità di convertire una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale a idrogenodotto e studiare la fattibilità della produzione e dello stoccaggio di idrogeno ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore per la produzione di energia elettrica. Dopo il Capitolo 1 avente carattere introduttivo, nel Capitolo 2 viene analizzata la possibilità di convertire a idrogenodotto una condotta attualmente impiegata per il trasporto di gas naturale. Nel Capitolo 3 viene valutata la fattibilità dell’acquisto e stoccaggio o dell’autoproduzione e stoccaggio di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua, ai fini dell’alimentazione a un turbogeneratore. Infine, nel Capitolo 4 vengono riportate le conclusioni delle analisi effettuate.

Simulazione numerica di un getto di idrogeno sottoespanso mediante OpenFOAM

Questa tesi tratta lo studio e l’applicazione di una metodologia per la simulazione di getti gassosi sottoespansi, nello specifico getti di idrogeno in aria. La necessità di questo lavoro nasce dall’esigenza, nel mondo dei trasporti, di abbandonare i combustibili fossili derivati dal petrolio. L’idrogeno, come il metano, viene iniettato in fase gassosa, quindi occorre studiare bene i fenomeni e i meccanismi in gioco per ottimizzare la miscelazione con l’aria. La parte iniziale della tesi riguarda lo studio teorico e generale della letteratura sui getti sottoespansi, con l’obiettivo di capire cosa sono, come si formano, da cosa sono governati e quali sono i loro parametri principali. Successivamente si passa alla loro analisi numerica tramite il software CFD open source OpenFOAM. Le analisi condotte hanno permesso di valutare l’impiego di diversi approcci di modellazione al fine di trovare quello ottimale. Sono stati testati differenti risolutori (rhoCentralFoam, rhoPimpleFoam e reactingFoam), diverse configurazioni della mesh (wedge 2-D, empty 2-D e cyclic 3-D) e diversi modelli di turbolenza (k − ϵ, RNG k − ϵ e k − ω SST).