Come gli “alberi di Natale” contribuiscono al miglioramento delle tecnologie di rifornimento dell’idrogeno
In che modo si può garantire un rifornimento delle automobili alimentate a idrogeno che sia allo stesso tempo sicuro, veloce ed efficiente? Questo rompicapo, che è la chiave per il successo dell’impiego della tecnologia dell’idrogeno nelle nostre future economie verdi, viene adesso preso in considerazione grazie a tecnologie dei sensori e a un modello di previsione sviluppati nell’ambito del progetto HYTRANSFER. Quando si parla del potenziale commerciale dell’idrogeno, gli scettici spesso mettono il rifornimento in cima alla propria lista degli svantaggi. Non solo ci vorranno dei decenni per costruire l’infrastruttura necessaria, ma l’operazione stessa di rifornimento è a dir poco impegnativa. Immaginiamo di possedere un veicolo a celle a combustibile (FCV - Fuel cell vehicle) e di aver bisogno di fare il pieno prima di un lungo viaggio. Con un’automobile con carburante “standard”, l’operazione verrebbe portata a termine in circa un minuto, mentre i più recenti FCV hanno bisogno di circa tre minuti per l’intera operazione. E ottenere questo risultato non è stata davvero una sinecura per gli ingeneri: a differenza della benzina o del gasolio, l’idrogeno tende a riscaldarsi mentre viene compresso nel serbatoio, ma i materiali compositi usati per creare questi serbatoi tenendo il loro peso il più basso possibile non sono in grado di sopportare temperature superiori agli 85 °C. In modo da rendere possibile la veloce operazione di rifornimento in tre minuti, le attuali stazioni di rifornimento raffreddano in precedenza l’idrogeno fino a -40 °C. Il miglioramento di questo processo per rendere più efficiente il rifornimento e persino lo scarico del carburante è l’obbiettivo centrale del progetto HYTRANSFER (“Pre-Normative Research for Thermodynamic Optimization of Fast Hydrogen Transfer”), che è iniziato a giugno 2013 e si concluderà a novembre 2015. Se dovesse raggiungere i suoi obbiettivi, il progetto aiuterebbe a ridurre gli investimenti e i costi di esercizio, ad aumentare l’affidabilità delle stazioni di rifornimento e a ridurre il tempo massimo per il rifornimento, e questo sarebbe un enorme passo in avanti per il successo del lancio di questa tecnologia. Sofia Capito, coordinatrice del progetto, ci dice di più sui risultati ottenuti finora da HYTRANSFER, e a che distanza si trova dal suo obbiettivo finale di fornire nuove raccomandazioni per l’applicazione negli standard internazionali e nelle procedure di rifornimento. Quali sono i principali obbiettivi del progetto? Nel progetto HYTRANSFER sviluppiamo metodi e processi per adattare e ridurre le necessità di pre-raffreddamento, riducendo in questo modo anche il capitale e la spesa operativa delle stazioni di rifornimento. Gli esperimenti mostrano che il trasferimento di calore tra l’idrogeno gassoso e la parete del serbatoio è abbastanza trascurabile. Di conseguenza, anche quando l’idrogeno all’interno del serbatoio raggiunge gli 85 °C, la temperatura massima a cui i serbatoi in materiale composito possono essere esposti, la temperatura della parete del serbatoio sarà significativamente inferiore. Gli esperimenti condotti con l’azoto mostrano una differenza di 27 °C! Usare la termodinamica per determinare il rapporto tra idrogeno iniettato, parametri di riempimento quali la velocità del flusso di idrogeno, e temperatura ambientale, può portare a un processo di trasferimento dell’idrogeno che sia ottimizzato per le reali condizioni al contorno. Quali sono state le maggiori difficoltà incontrate durante il progetto e come sono state risolte? Fortunatamente siamo già a buon punto e molti degli inconvenienti che avremmo potuto incontrare semplicemente non si sono verificati. La sfida per i due produttori di serbatoi coinvolti, incluso il partner del progetto Hexagon Lincoln, è rappresentata dai particolari requisiti associati con gli esperimenti: abbiamo bisogno di sensori di temperatura nelle pareti del serbatoio! E non ce ne bastano solo uno o due, ma abbiamo bisogno di 30 sensori per serbatoio. Il loro posizionamento durante il processo di fabbricazione è alquanto complicato, ma entrambi i produttori si sono impegnati molto e alla fine ci sono riusciti. Con questi sensori possiamo misurare la temperatura dentro le pareti del serbatoio. Ma abbiamo anche bisogno di sensori per misurare la temperatura del gas stesso in vari punti nei serbatoi. Poiché le imboccature del serbatoio hanno un diametro di pochi millimetri, noi introduciamo disposizioni di sensori soprannominate “alberi di Natale”, sufficientemente strette per passare attraverso l’apertura del serbatoio prima di aprirsi, in modo simile a quando si mette una nave in una bottiglia. A che punto si trova il progetto? Avete già raggiunto un livello soddisfacente di controllo della temperatura? Al momento tre differenti laboratori stanno conducendo esperimenti su tre tipi diversi di serbatoio, poiché l’esame dei serbatoi in vari laboratori garantisce affidabilità e riproducibilità dei risultati. Molti degli esperimenti vengono svolti al Centro comune di ricerca (CCR) della Commissione europea che è uno dei partner del progetto. In parallelo, vengono ulteriormente sviluppate le relative simulazioni di analisi fluidodinamica computazionale (CFD) in modo che siano coerenti con i risultati degli esperimenti. Il partner del progetto TesTneT sta attualmente effettuando una verifica preliminare dei risultati iniziali degli esperimenti, mentre l’istituto PPRIME (Istituto francese di ricerca, CNRS/ENSMA/Univ. Poitiers) ha già prodotto misurazioni dettagliate delle reali proprietà termiche dei serbatoi usati. Inoltre, è stato convalidato un modello semplificato con un tempo di calcolo significativamente ridotto, da secondi a minuti invece che da giorni a settimane. Finora, i nostri esperimenti ed esercizi di modellazione supportano la nostra supposizione che vi sia ampio spazio per il miglioramento nelle necessità di pre-raffreddamento. Siete fiduciosi riguardo all’impatto del vostro approccio sugli standard internazionali? Una delle prime fasi in HYTRANSFER è stata quella di analizzare le opportunità di ottimizzazione per il processo di trasferimento dell’idrogeno nell’ambito dei “Regolamenti, codici e standard” (RCS) internazionali esistenti e della tecnologia dell’idrogeno all’avanguardia. Basandoci su questo e sui risultati finora ottenuti, siamo piuttosto fiduciosi che il progetto produrrà risultati dei test e convalida di questi risultati che portano a forti raccomandazioni per RCS. Il CCS Global Group (CCS), con decenni di leadership nello sviluppo e adattamento di RCS nei settori delle celle a combustibile e idrogeno (FCH) ed elettrico, sta controllando le attività RCS rilevanti e sta testando i risultati del progetto in modo da consentirci di identificare e ricavare raccomandazioni RCS e sviluppare un percorso in avanti per esse verso gli enti internazionali (ad es. CEN/ISO). Come vi aspettate che le vostre conclusioni aiutino a promuovere il mercato dell’automobile a idrogeno? L’efficienza dell’automobile in quanto tale non verrà promossa, ma verrà migliorata l’interazione tra stazioni di rifornimento e veicoli a celle a combustibile. Per i clienti, questo porterà a un tempo massimo di rifornimento ridotto, aumentata affidabilità delle stazioni e persino minori prezzi dell’idrogeno. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) condurrà una dettagliata analisi tecnico-economica per identificare gli effetti dei processi migliorati. Quali sono le prossime fasi per il progetto, e avete dei piani ulteriori dopo la sua conclusione? Gli attuali veicoli solitamente hanno non solo uno, ma due o tre serbatoi collegati, quindi dobbiamo trovare un approccio al rifornimento attuabile sia per i singoli serbatoi che per i sistemi di serbatoi. La prossima fase per noi è quella di concludere gli esperimenti sui singoli serbatoi e di sviluppare ulteriormente le simulazioni basate su ciò che apprendiamo, dopo di che verrà sviluppato e testato un nuovo e dettagliato protocollo di rifornimento su sistemi di serbatoi forniti dal produttore di FCV e partner del progetto Honda. HYTRANSFER verrà considerato un successo quando l’approccio di rifornimento appena sviluppato verrà pubblicato come raccomandazione agli enti RCS internazionali, e quando verranno pubblicate le nostre raccomandazioni relative allo scarico del carburante. Ancora non abbiamo nessun piano specifico per la continuazione, ma quando HYTRANSFER sarà concluso e si farà alla fine strada nei RCS internazionali, saranno necessari un’ulteriore convalida e una gamma ancora più ampia di esperimenti. Per ulteriori informazioni, visitare: HYTRANSFER http://www.hytransfer.eu
Paesi
Germania