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Idrogeno e simulazione fluidodinamica
Il ruolo della simulazione fluidodinamica nello sviluppo delle tecnologie legate all'idrogeno
Sebastiano Breda, Alessandro d'Adamo, Fabio Berni e Stefano Fontanesi, GRUppo MOtori, Università degli studi di Modena e Reggio Emilia - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
- La simulazione fluidodinamica tridimensionale
- Studio ed ottimizzazione del motore ad idrogeno tramite simulazione fluidodinamica 3D
- La simulazione fluidodinamica di macchine elettrochimiche: il caso delle fuel cells
La riduzione delle emissioni di CO2 è uno degli obiettivi primari perseguiti attualmente dalle istituzioni italiane ed europee al fine di contenere l'impatto delle attività umane sul clima. Il settore dei trasporti è responsabile del 14% dell'inquinamento prodotto a livello globale ed è pertanto uno degli ambiti nei quali è ormai già in atto una forte e radicale trasformazione.
La legislazione europea, infatti, impone l'azzeramento delle emissioni clima alteranti da parte dei nuovi veicoli immatricolati a partire dal 2035 e questo impone una totale revisione delle tecnologie attualmente maggiormente in uso.
L'elettrificazione dei trasporti è al momento la strada più accreditata per il raggiungimento dell'ambizioso obiettivo delle "zero emissioni" almeno per quel che riguarda il trasporto urbano leggero.
Tuttavia, nonostante tale soluzione sia fortemente incentivata, bisogna considerare che la diffusione sempre più massiccia di veicoli elettrici favorisce fattivamente la causa ambientale solo se associata ad una produzione di energia elettrica basata su fonti di energia rinnovabile che dovranno essere in grado di sostituire, in toto o comunque in larga parte, quelle di origine fossile.
Una delle problematiche da risolvere per permettere l'introduzione di una quota sempre più consistente di rinnovabili all'interno del mix energetico nazionale è quella della discontinuità energetica, diretta conseguenza della discontinuità delle fonti energetiche primarie (vento, sole).
Sistemi di accumulo dell'energia elettrica prodotta in surplus quando la risorsa naturale primaria è disponibile risultano pertanto necessari al fine far coincidere la domanda con l'offerta energetica.
La produzione di idrogeno per elettrolisi (scissione delle molecole di acqua per via elettrochimica) a partire da energia rinnovabile può in parte risolvere tale problema permettendo di accumulare l'energia prodotta in surplus in modo più conveniente rispetto al suo stoccaggio in batterie.
Specificamente per il settore dei trasporti l'idrogeno così prodotto può essere stoccato velocemente a bordo di un veicolo e impiegato per generare energia elettrica a bordo tramite l'utilizzo di celle a combustibile (permettendo di ridurre peso e volume necessario per le batterie contribuendo ad aumentare l'autonomia del veicolo), o utilizzato come combustibile in un motore a combustione interna.
Quest'ultima applicazione, seppur non priva di complicazioni tecniche, permette di sfruttare il forte know-how nella progettazione e produzione di motori presente nel nostro paese e, grazie alle peculiari caratteristiche dell'idrogeno quali alta velocità di fiamma e resistenza alla detonazione, può costituire una valida alternativa per la realizzazione di motori ad alta efficienza e a zero emissioni di CO2.
Lo studio fondamentale di tali sistemi che vedono l'idrogeno come vettore energetico quali celle a combustibile e motori a combustione interna è centrale nell'attività di ricerca svolta dal gruppo di Macchine a Fluido e Sistemi Energetici dell'Università di Modena e Reggio Emilia.
In particolare, il "GRUppo MOtori" della sopracitata Università ha acquisito una ormai ventennale esperienza nella simulazione fluidodinamica tridimensionale dei processi interno cilindro nei motori e, da diversi anni, si occupa anche della caratterizzazione di dettaglio dei processi fluidodinamici ed elettrochimici in celle a combustibile.
La simulazione fluidodinamica tridimensionale
La crescita esponenziale della potenza di calcolo a disposizione di istituzioni accademiche e realtà industriali, unita al costo sempre più accessibile delle infrastrutture di calcolo, rendono la fluidodinamica computazionale (CFD, Computational Fluid Dynamics) uno strumento sempre più diffuso nel processo di sviluppo di tutti quei prodotti che prevedono la presenza di fluidi in movimento.
È il caso delle macchine a fluido quali ad esempio, pompe, compressori, turbine, motori a combustione interna ma anche celle a combustibile ed elettrolizzatori.
Tali tecniche permettono infatti di riprodurre virtualmente, con un livello di accuratezza impensabile fino a pochi anni fa, dettagli fluidodinamici in molti casi impossibili da misurare ma di fondamentale importanza se l'obiettivo è ottimizzare e rendere sempre più efficienti le macchine sopracitate.
Tali tecniche pertanto rivestono e rivestiranno un ruolo sempre più cruciale nello sviluppo dei sistemi di mobilità sostenibile legati all'idrogeno e non solo. Di seguito si riportano brevemente due esempi, molto diversi, di applicazione delle tecniche di simulazione CFD, a sistemi per la mobilità sostenibile quali il motore a combustione interna alimentato ad idrogeno e le celle a combustibile.
In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo.
La legislazione europea, infatti, impone l'azzeramento delle emissioni clima alteranti da parte dei nuovi veicoli immatricolati a partire dal 2035 e questo impone una totale revisione delle tecnologie attualmente maggiormente in uso.
L'elettrificazione dei trasporti è al momento la strada più accreditata per il raggiungimento dell'ambizioso obiettivo delle "zero emissioni" almeno per quel che riguarda il trasporto urbano leggero.
Tuttavia, nonostante tale soluzione sia fortemente incentivata, bisogna considerare che la diffusione sempre più massiccia di veicoli elettrici favorisce fattivamente la causa ambientale solo se associata ad una produzione di energia elettrica basata su fonti di energia rinnovabile che dovranno essere in grado di sostituire, in toto o comunque in larga parte, quelle di origine fossile.
Una delle problematiche da risolvere per permettere l'introduzione di una quota sempre più consistente di rinnovabili all'interno del mix energetico nazionale è quella della discontinuità energetica, diretta conseguenza della discontinuità delle fonti energetiche primarie (vento, sole).
Sistemi di accumulo dell'energia elettrica prodotta in surplus quando la risorsa naturale primaria è disponibile risultano pertanto necessari al fine far coincidere la domanda con l'offerta energetica.
La produzione di idrogeno per elettrolisi (scissione delle molecole di acqua per via elettrochimica) a partire da energia rinnovabile può in parte risolvere tale problema permettendo di accumulare l'energia prodotta in surplus in modo più conveniente rispetto al suo stoccaggio in batterie.
Specificamente per il settore dei trasporti l'idrogeno così prodotto può essere stoccato velocemente a bordo di un veicolo e impiegato per generare energia elettrica a bordo tramite l'utilizzo di celle a combustibile (permettendo di ridurre peso e volume necessario per le batterie contribuendo ad aumentare l'autonomia del veicolo), o utilizzato come combustibile in un motore a combustione interna.
Quest'ultima applicazione, seppur non priva di complicazioni tecniche, permette di sfruttare il forte know-how nella progettazione e produzione di motori presente nel nostro paese e, grazie alle peculiari caratteristiche dell'idrogeno quali alta velocità di fiamma e resistenza alla detonazione, può costituire una valida alternativa per la realizzazione di motori ad alta efficienza e a zero emissioni di CO2.
Lo studio fondamentale di tali sistemi che vedono l'idrogeno come vettore energetico quali celle a combustibile e motori a combustione interna è centrale nell'attività di ricerca svolta dal gruppo di Macchine a Fluido e Sistemi Energetici dell'Università di Modena e Reggio Emilia.
In particolare, il "GRUppo MOtori" della sopracitata Università ha acquisito una ormai ventennale esperienza nella simulazione fluidodinamica tridimensionale dei processi interno cilindro nei motori e, da diversi anni, si occupa anche della caratterizzazione di dettaglio dei processi fluidodinamici ed elettrochimici in celle a combustibile.
La simulazione fluidodinamica tridimensionale
La crescita esponenziale della potenza di calcolo a disposizione di istituzioni accademiche e realtà industriali, unita al costo sempre più accessibile delle infrastrutture di calcolo, rendono la fluidodinamica computazionale (CFD, Computational Fluid Dynamics) uno strumento sempre più diffuso nel processo di sviluppo di tutti quei prodotti che prevedono la presenza di fluidi in movimento.
È il caso delle macchine a fluido quali ad esempio, pompe, compressori, turbine, motori a combustione interna ma anche celle a combustibile ed elettrolizzatori.
Tali tecniche permettono infatti di riprodurre virtualmente, con un livello di accuratezza impensabile fino a pochi anni fa, dettagli fluidodinamici in molti casi impossibili da misurare ma di fondamentale importanza se l'obiettivo è ottimizzare e rendere sempre più efficienti le macchine sopracitate.
Tali tecniche pertanto rivestono e rivestiranno un ruolo sempre più cruciale nello sviluppo dei sistemi di mobilità sostenibile legati all'idrogeno e non solo. Di seguito si riportano brevemente due esempi, molto diversi, di applicazione delle tecniche di simulazione CFD, a sistemi per la mobilità sostenibile quali il motore a combustione interna alimentato ad idrogeno e le celle a combustibile.
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Fonte: La Termotecnica luglio-agosto 2023
Settori: Automotive, Combustibili, Efficienza energetica industriale, GAS, Idrogeno, Rinnovabili, Termotecnica industriale
Mercati: Aria e Gas, Trasporti e Automotive
