> FocusUnimore > numero 26 – giugno 2022

Energy transition: two projects related to the use and production of hydrogen

In a scenario of energy transition due to a renewed awareness of the environmental and social sustainability of industrial processes, the research group of Fluid Machines and Energy Systems of the “Enzo Ferrari” Engineering Department of Unimore, coordinated by Prof. Alessandro D’Adamo, has launched numerous research projects on the use of fluid dynamics simulation (CFD, Computational Fluid Dynamics) to machines fuelled with hydrogen, such as fuel cells, electrolysers and internal combustion engines. The research group, thanks to the “Enzo Ferrari” Engineering Department and the Modena Foundation, has launched two interdisciplinary projects on topics related to the study through CFD simulation of the operation of electrochemical machines for the use and production of hydrogen. The first funded project (NANO4COOL) studies the use of innovative fluids for the cooling of fuel cells systems for vehicular traction, whose main objective is to overcome one of the most problematic obstacles for fuel-cell electric vehicles, that is, thermal management. The second funded project (Departmental FAR 2021) deals with the development of simulation techniques in the field of hydrogen production systems. 

La recente evoluzione dei sistemi energetici e delle macchine a fluido ha seguito e, in alcuni casi,  anticipato le normative nazionali ed europee miranti a una sostanziale riduzione delle emissioni inquinanti e a un aumento della sostenibilità.

Una mirabile sintesi di questi aspetti è costituita dall’ingegneria dell’idrogeno, combustibile ben noto e che promette la sostituzione delle fonti fossili (e delle relative emissioni inquinanti) insieme a una virtuosa integrazione con altri sistemi industriali, ponendo le basi per una sinergia tecnico-economica e per la creazione di distretti basati sull’uso dell’idrogeno (hydrogen valley).               

Tuttavia, tali prospettive sono ben note da decenni e non sono mai diventate realtà su larga scala, soprattutto a causa dell’insufficiente livello tecnologico, del costo dell’idrogeno molto più elevato rispetto a quello dei combustibili fossili, nonché per l’incompatibilità con le infrastrutture esistenti.

Questo scenario sta vivendo una rapida e positiva evoluzione negli ultimi anni, grazie a una rinnovata sensibilità ai temi della sostenibilità ambientale e sociale dei processi industriali, allo sviluppo tecnologico di tutte le macchine e dei sistemi necessari per la produzione, distribuzione, gestione e infine utilizzo di idrogeno. 

Studio della temperatura in un modello di fuel cell per trazione automobilistica, parte del progetto FAR 2021 Mission Oriented: NANO4COOL.

In questo senso il gruppo di ricerca di Macchine a Fluido e Sistemi Energetici del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” di Unimore ha avviato numerose ricerche focalizzate sull’uso della simulazione fluidodinamica (nota anche come CFD, Computational Fluid Dynamics) a macchine utilizzanti l’idrogeno, come le celle a combustibile (note anche come fuel cells), gli elettrolizzatori e i motori a combustione interna. Grazie al supporto garantito dal Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” e dalla Fondazione di Modena, il gruppo di ricerca ha avviato due progetti interdisciplinari nel 2021 su tematiche legate allo studio tramite simulazione CFD del funzionamento di macchine elettrochimiche per l’uso e la produzione di idrogeno.

Nel primo progetto finanziato (NANO4COOL) l’oggetto dello studio è l’uso di fluidi innovativi per il raffreddamento di sistemi fuel cells per la trazione veicolare. Questi fluidi sono chiamati “nanofluidi” e sono costituiti da particelle nanometriche disperse in fluidi refrigeranti tipici, permettendo rilevanti miglioramenti nei processi di scambio termico. Tale prospettiva è di alto interesse per l’uso di fuel cells in veicoli elettrici a idrogeno, per via dei numerosi vincoli costruttivi (ingombri, peso, componentistica) e di prestazione (gestione termica della fuel cell). 

L’obiettivo principale del progetto è di superare uno degli ostacoli più problematici per i veicoli elettrici a fuel cells, ossia la gestione termica. La migliorata dissipazione di calore permette un funzionamento ottimale della membrana polimerica della cella a combustibile, aumentando allo stesso tempo la potenza elettrica prodotta dall’idrogeno.    

Il progetto è reso possibile dall’integrazione di competenze diverse e complementari, unendo la simulazione fluidodinamica di macchine a fluido (Alessandro d’Adamo, Stefano Fontanesi-DIEF), la fisica tecnica (Paolo Emilio Santangelo-DISMI, Enrico Stalio-DIEF) e la scienza dei materiali delle celle a combustibile (Marcello Romagnoli-DIEF). 

Grazie al finanziamento del progetto NANO4COOL è in via di realizzazione una stazione di misura di scambio termico e di celle a combustibile ed è stato attivato un Assegno di Ricerca dedicato al progetto.

Il secondo progetto finanziato (FAR 2021 Dipartimentale) si occupa dello sviluppo di tecniche di simulazione nell’ambito dei sistemi di produzione di idrogeno

In particolare, l’analisi riguarda lo sviluppo di elettrolizzatori a scambio di protoni (PEM, Proton Exchange Membrane) di elevata rilevanza per la transizione energetica, in quanto considerati i più promettenti sistemi per la produzione di idrogeno a partire dall’elettrolisi di acqua usando energia da fonte rinnovabile. 

In questo ambito la modellazione fluidodinamica permette di comprendere la complessa interazione tra processi fluidodinamici (ad esempio, la formazione di miscele bifase gas-liquido) ed elettrochimici (ad esempio, il reale uso di Iridio/Platino per la catalisi). 

Il progetto coinvolge competenze numeriche trasversali tra le macchine a fluido (Alessandro d’Adamo-DIEF) e la fisica tecnica (Enrico Stalio-DIEF), e ha permesso l’attivazione di un Assegno di Ricerca dedicato al progetto.

La ricerca applicata alle tematiche presentate testimonia l’impegno del gruppo di ricerca e il supporto degli enti finanziatori verso lo sviluppo di metodi e tecnologie per la transizione energetica, e dimostra le potenzialità date dalla sinergia tra gruppi di ricerca e dall’interdisciplinarietà per un’innovazione industriale sostenibile.

“L’applicazione della simulazione fluidodinamica allo studio delle macchine a idrogeno, quali fuel cells, elettrolizzatori o motori a combustione interna, rivela le enormi possibilità di sviluppo di tali sistemi e rappresenta un’insuperabile opportunità di ricerca interdisciplinare” – ha commentato il coordinatore del progetto Prof. Alessandro D’Adamo.

Transizione energetica: due progetti legati all’uso e produzione di idrogeno