Idrogeno: trasporto ed accumulo Seminario «Power to Gas e Idrogeno» Gianluca Valenti Politecnico di Milano, Dipartimento di Energia

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Sabina Marchetti
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1 Idrogeno: trasporto ed accumulo Seminario «Power to Gas e Idrogeno» Gianluca Valenti Politecnico di Milano, Dipartimento di Energia

2 Sommario 2 1. INTRODUZIONE 2. INCREMENTO DELLA DENSITA 3. TRASPORTO 4. ACCUMULO 5. CONCLUSIONI

3 3 1. INTRODUZIONE

4 Osservazione storica 4 Il trasporto e l accumulo dell idrogeno sono stati oggetto di particolare attenzione fino a qualche anno fa Gli studi riguardavano soprattutto sistemi di grande taglia in vista di una possibile Economia dell Idrogeno In tale infrastruttura l idrogeno ha il compito di affiancare l elettricità come vettore energetico Oggi però l entusiasmo per quella infrastruttura è molto scemato e quindi trasporto ed accumulo trovano interesse per gli usi industriali......oppure per applicazione di tipo Power to Gas

l idrogeno ha il compito di affiancare l elettricità come vettore energetico Oggi però l entusiasmo per quella infrastruttura è

5 Densità energetica (1/2) 5

6 Densità energetica (2/2) 6

7 Considerazioni sulla densità energetica 7 L idrogeno ha un elevato contenuto energetico in termini massici, da 2 a 3 volte superiore agli altri combustibili L idrogeno ha un modesto contenuto energetico in termini volumetrici, da 2 a 15 volte inferiore agli altri combustibili Influenza fortemente accumulo e trasporto

L idrogeno ha un modesto contenuto energetico in termini volumetrici, da 2 a 15

8 8 2. INCREMENTO DELLA DENSITÀ

9 Compressione convenzionale 9 Per pressioni di diverse decine e fino a poche centinaia di bar l idrogeno può essere compresso tramite: compressori volumetrici a pistoni (in particolare a secco d olio) compressori dinamici radiali (meno abitualmente)

compressori volumetrici a pistoni (in particolare a secco d olio)

10 Compressione avanzata 10 Per pressioni di diverse centinaia di bar l idrogeno può essere compresso attraverso «compressori ionici» I compressori ionici utilizzano i liquidi ionici, pressurizzati da una pompa, per comprimere l idrogeno I liquidi ionici sono liquidi costituiti da ioni positivi e ioni negativi con bassissime tensioni di vapore e quindi non contaminano l idrogeno g_technologies/ionic_compressor.html

idrogeno I liquidi ionici sono liquidi costituiti da ioni positivi e ioni negativi con bassissime tensioni di vapore e

11 Liquefazione e peculiarità 11 Rispetto ad una compressione elevata, la densità dell idrogeno può essere circa raddoppiata attraverso la liquefazione L idrogeno è liquido a 20 K (-253 C) L idrogeno ha un comportamento peculiare sotto i 200 K perché: idrogeno molecolare H 2 è una miscela di ortoidrogeno e paraidrogeno diminuendo la temperatura l ortoidrogeno diventa paraidrogeno la trasformazione è esotermica e lenta l energia della trasformazione è superiore a quella di evaporazione La trasformazione deve essere promossa cataliticamente altrimenti il liquido evapora anche in un serbatoio perfettamente coibentato La trasformazione esotermica aggrava il lavoro di liquefazione

temperatura l ortoidrogeno diventa paraidrogeno la trasformazione è esotermica e lenta l energia della trasformazione è superiore a quella di evaporazione La

12 Liquefazione di piccola taglia 12 Nella piccola taglia la liquefazione avviene tramite cicli Stirling (o simili) inversi e multistadio ad elio

13 Liquefazione di grande taglia: fondamenti 13 L idrogeno viene liquefatto ad una pressione superiore a quella critica, tipicamente bar e poi immagazzinato a pochi bar L effetto di raffreddamento avviene per: laminazione (effetto Joule-Thomson) estrazione di potenza meccanica (espansore volumetrico/dinamico) Il ciclo refrigerante può essere separato o connesso con la linea di idrogeno da liquefare Quindi il fluido refrigerante può anche essere l idrogeno stesso (ciclo Linde-Hampson, ciclo Claude, ciclo Collins, e simili)

potenza meccanica (espansore volumetrico/dinamico) Il ciclo refrigerante può essere separato o connesso con la linea di idrogeno da

14 Liquefazione di grande taglia convenzionale 14 La capacità dei moderni impianti di liquefazione è di circa 10 ton/giorno ed efficienza discreta (25-30% rispetto all idealità) Impianto Linde a Ingolstadt

circa 10 ton/giorno ed efficienza discreta (25-30%

15 Liquefazione di grande taglia avanzata 15 La capacità dei futuri impianti potrà essere di anche 800 ton/giorno e con efficienza quasi doppia

16 Capacità mondiale di liquefazione 16 La odierna capacità mondiale di liquefazione è di ton/giorno

17 Considerazioni su compressione e liquefazione 17 Compressione e liquefazione dell idrogeno sono due processi molto energivori, fino a 40 MJ e /kg (oltre 10 kwh e /kg)

18 18 3. TRASPORTO

19 Trasporto via tubo (idrogenodotti) 19

20 Infragilimento delle saldature 20

21 Trasporto su strada 21

22 Trasporto via treno e nave in futuro? 22

23 Considerazioni sulla densità energetica 23 La tecnologia di trasporto via tubo e su strada è consolidata, ma per le densità ridotta è meno economica di altri gas

24 24 4. ACCUMULO

25 Metodi di accumulo 25 Esistono varie possibilità di accumulo dell idrogeno, alcune mature altre in fase di sviluppo, tra cui: serbatoi in fase gassosa (200 fino 700 bar) serbatoi in fase liquida (20 K) idruri metallici, complessi e chimici

26 Bombole convenzionali e avanzate bar 700 bar

27 Serbatoi criogenici 27 qualche decina di litri qualche metro cubo alcune migliaia di metri cubi

28 Idruri metallici 28

29 Considerazioni sulla densità energetica 29 La tecnologia di accumulo in bombola e serbatoi è consolidata, ma per le densità ridotta è meno economica di altri gas

30 30 5. CONCLUSIONI

31 Conclusioni 31 Da un punto di vista energetico, il fattore limitante dell idrogeno è la bassa densità Compressione e liquefazione incrementano sensibilmente la densità energetica in termini di volume ma ad un elevato costo energetico Oggi l idrogeno è trasportato abitualmente via tubo (soprattutto in fase gassosa) e via strada (sia gassoso sia liquido) L accumulo di piccole quantità è in bombole fino a 200 bar (in futuro 700), mentre in grandi quantità è in serbatoi criogenici; gli idruri sono ancora poco diffusi

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