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L’idrogeno è una delle soluzioni più promettenti per la transizione energetica, in particolare per settori difficili da decarbonizzare come l’industria e i trasporti. Tuttavia, lo stoccaggio rimane una delle principali sfide. Questa tesi esplora un’alternativa ai metodi tradizionali di accumulo, basata sull’adsorbimento su materiali porosi, un approccio che consente di operare a temperature di 77K e pressioni di circa 100 bar.

Il Capitolo 1 fornisce una panoramica delle tecnologie di stoccaggio, mentre il Capitolo 2 approfondisce il metodo di adsorbimento, analizzando materiali specifici e il modello adottato. Inoltre, viene condotta un’analisi comparativa con il software Comsol su un modello bidimensionale del serbatoio per valutare le prestazioni dei materiali. Il Capitolo 3 introduce la geometria tridimensionale del serbatoio, seguita, nel Capitolo 4, da una simulazione fluidodinamica con analisi di sensitività.

Questa ricerca si inserisce nel progetto europeo Mast3rboost, sviluppato in collaborazione con Spike Renewables Srl e finanziato nell’ambito di HORIZON-CL4. L'obiettivo è realizzare un sistema di stoccaggio in grado di superare 1 kg di idrogeno per applicazioni di mobilità (stradale, ferroviaria, aerea e marittima). L’idrogeno viene stoccato tramite adsorbimento a freddo (CAH2) su materiali ultraporosi come AC e MOF, ottenuti da scarti agroforestali e rifiuti urbani. Il target del progetto è migliorare la capacità di stoccaggio su MOF del 30%, arrivando a 10 wt% e 44 gH2/lPS.

Attualmente, la tecnologia di riferimento in Europa è rappresentata dalla Toyota Mirai, che utilizza serbatoi di tipo IV a 700 bar, soluzione che presenta criticità legate alla sicurezza e ai costi di produzione. L’approccio proposto in questa tesi potrebbe migliorare l’efficienza e la sostenibilità del sistema.

Risultati Principali
L’analisi dell’adsorbimento dell’idrogeno ha evidenziato l’importanza di vari fattori: sistema di raffreddamento, materiale adsorbente e geometria della lancia di ingresso.

Sistema di raffreddamento
L’implementazione di un raffreddamento ottimizzato (new_sys) ha migliorato l’efficienza del processo, specialmente nei sistemi con più contorni di raffreddamento, abbassando la temperatura nelle zone periferiche del serbatoio. Uno sviluppo futuro prevede l’utilizzo di azoto liquido come fluido refrigerante.

Materiale adsorbente
Il MOF-177 ha mostrato le migliori prestazioni grazie alla sua struttura cristallina e alta permeabilità. Tuttavia, per ottimizzare il processo, si propone una modifica alla lancia di ingresso, introducendo un foro inferiore per mitigare i picchi di temperatura osservati a 300 s, fenomeno non riscontrato con materiali alternativi come CS1-A1.

Influenza della geometria della lancia
L’analisi comparativa tra configurazioni di lancia ha rivelato che:

Lancia con 13 livelli e 3 fori per livello (a 45°): garantisce adsorbimento uniforme e bilanciato nel tempo, con velocità iniziale più bassa.
Lancia con 6 livelli: consente un riempimento più rapido, ma con distribuzione meno omogenea.
Un possibile sviluppo futuro è una lancia con diametri crescenti verso il fondo, per ottimizzare la distribuzione del flusso e migliorare l’adsorbimento iniziale.
Conclusioni e Sviluppi Futuri
I risultati confermano che l’integrazione di raffreddamento avanzato, la modifica della lancia e la selezione del materiale adsorbente sono strategie chiave per migliorare l’efficienza dello stoccaggio a bassa pressione e bassa temperatura. Gli sviluppi futuri si concentreranno sull’ottimizzazione del sistema di raffreddamento, sulla sperimentazione di nuove configurazioni della lancia e sul miglioramento delle prestazioni dei materiali adsorbenti.

L’approccio proposto in questa tesi potrebbe rappresentare un passo avanti verso un sistema di stoccaggio dell’idrogeno più sicuro, efficiente e sostenibile per il settore della mobilità e oltre.