ETD

• hybrid solar-hydrogen energy system
• liquid hydrogen loading
• liquid hydrogen sloshing

After a thorough review of research on liquid hydrogen (LH2) storage and transportation, technical and safety challenges have been identified. For instance, the study of the fluid sloshing phenomenon during the transportation process of LH2 is considered a crucial issue, particularly in maritime applications where cryogenic liquids are transported by ships. The dynamic motion of ships generates continuous liquid oscillations inside cryogenic tanks, which significantly influence the performance of the thermal and pressure behaviours. The other main challenge is the transient non-uniform cool down and the large thermal stresses that are exposed to the storage tank walls during the precooling and loading processes of LH2. The present study investigates the previous two issues of LH2 during the transportation and filling procedures on a large-scale cryogenic storage tank with a gross volume of 5000 m³, a representative of an industrial scale from the marine transport field. A two-dimensional (2D) model of the tank is built on ANSYS CFX to simulate the sloshing phenomenon effect on the thermal and hydrodynamic behaviours of liquid and gaseous hydrogen in a cryogenic tank with and without baffles. On the other hand, a model of transient energy equations is built on MATLAB to be solved for each discretized wall segment to calculate the tank cool down characteristics. For the sloshing model, the results reveal that the gaseous temperature and pressure behaviours oscillate almost around the initial values in the case without baffles, while they are decreased consistently in the case with baffles. Moreover, the maximum total pressure on the tank knuckle is mitigated by baffles with a gradual reduction. The other model of the tank cool down during LH2 filling provides a detailed estimation of the wall-temperature evolution, precooling time, LH2 filling time, and the masses consumed and the boil-off gas for both liquid nitrogen and LH2. Further study is performed on the hybrid renewable energy systems, which are considered a practical and sustainable solution for supplying electricity in remote and off-grid regions. The study aims to design a reliable standalone hybrid energy system using HOMER Pro software to meet the electricity demand of a household in Siwa Oasis. The simulations show an optimal configuration that includes a 3 kW PV array, 3.5 kW solar converter, four 1.8 kWh batteries, a 2 kW electrolyzer, a hydrogen storage tank (0.189 kg at 232 bar), and a 0.5 kW proton exchange membrane (PEM) fuel cell. The cost results provide a Net Present Cost (NPC) of $25,388 and a Levelized Cost of Energy (LCOE) of $1.38/kWh. The overall system performance confirms its technical and economic feasibility for clean, off-grid electrification in remote desert regions.

Dopo un'attenta revisione della ricerca sullo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno liquido (LH2), sono state identificate sfide tecniche e di sicurezza. Ad esempio, lo studio del fenomeno dello sloshing del fluido durante il processo di trasporto dell'LH2 è considerato un problema cruciale, in particolare nelle applicazioni marittime in cui i liquidi criogenici vengono trasportati dalle navi. Il movimento dinamico delle navi genera oscillazioni continue del liquido all'interno dei serbatoi criogenici, che influenzano significativamente le prestazioni del comportamento termico e della pressione. L'altro principale problema è il raffreddamento transitorio non uniforme e i grandi stress termici a cui sono esposte le pareti del serbatoio durante i processi di pre-raffreddamento e carico dell'LH2. Il presente studio indaga i due problemi precedenti dell'LH2 durante le procedure di trasporto e riempimento su un serbatoio di stoccaggio criogenico su larga scala con un volume lordo di 5000 m³, rappresentativo di una scala industriale nel campo del trasporto marittimo. Un modello bidimensionale (2D) del serbatoio è costruito su ANSYS CFX per simulare l'effetto del fenomeno di sloshing sui comportamenti termici e idrodinamici dell'idrogeno liquido e gassoso in un serbatoio criogenico con e senza paratie. D'altra parte, un modello delle equazioni energetiche transitorie è costruito su MATLAB per essere risolto per ciascun segmento di parete discretizzato al fine di calcolare le caratteristiche di raffreddamento del serbatoio. Per il modello di sloshing, i risultati rivelano che i comportamenti di temperatura e pressione del gas oscillano quasi intorno ai valori iniziali nel caso senza paratie, mentre diminuiscono costantemente nel caso con paratie. Inoltre, la pressione totale massima sulla giunzione del serbatoio è mitigata dalle paratie con una riduzione graduale. L'altro modello del raffreddamento del serbatoio durante il riempimento di LH2 fornisce una stima dettagliata dell'evoluzione della temperatura della parete, del tempo di precooling, del tempo di riempimento di LH2, delle masse consumate e del gas evaporato sia per l'azoto liquido sia per LH2. Ulteriori studi sono stati eseguiti sui sistemi ibridi di energia rinnovabile, considerati una soluzione pratica e sostenibile per fornire elettricità in aree remote e non connesse alla rete elettrica. Lo studio mira a progettare un sistema energetico ibrido autonomo affidabile utilizzando il software HOMER Pro per soddisfare la domanda di elettricità di una casa nella Oasi di Siwa. Le simulazioni mostrano una configurazione ottimale che include un array fotovoltaico da 3 kW, un convertitore solare da 3,5 kW, quattro batterie da 1,8 kWh, un elettrolizzatore da 2 kW, un serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno (0,189 kg a 232 bar) e una cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM) da 0,5 kW. I risultati dei costi forniscono un costo netto attuale (NPC) di 25.388 $ e un costo livellato dell'energia (LCOE) di 1,38 $/kWh. Le prestazioni complessive del sistema confermano la sua fattibilità tecnica ed economica per l'elettrificazione pulita e autonoma in regioni desertiche remote.