• chemical reactor network
• CFD analysis

Il cambiamento climatico e il riscaldamento globale sono diventati una seria preoccupazione per la nostra società. Di conseguenza, negli ultimi anni, sono state implementate molte politiche per limitare le emissioni di gas serra di origine antropica, spingendo la nostra economia a diventare completamente carbon-neutral entro il 2050. La transizione energetica, necessaria per affrontare tale cambiamento climatico, richiede la sostituzione della tradizionale combustione incentrata sui combustibili fossili con energia da fonti rinnovabili. Queste ultime pongono però problemi legati alla loro intermittenza e variabilità. Inoltre, in alcuni casi, l’elettrificazione non è una soluzione pratica a causa delle alte temperature e densità energetiche richieste. In questo scenario, un ruolo importante è svolto da combustibili puliti quali idrogeno verde, ossia idrogeno prodotto da elettrolisi dell’acqua utilizzando fonti rinnovabili. Questo rappresenterebbe una buona alternativa se non avesse grossi problemi legati allo stoccaggio e al trasporto. Per affrontare tale problema l’ammoniaca può essere un eccellente vettore dell’idrogeno in quanto la sua rete di produzione e distribuzione è ben sviluppata grazie al largo impiego nel campo dei fertilizzanti agricoli. Tuttavia, l’ammoniaca ha caratteristiche di combustione ben diverse da quelle dei combustibili convenzionali, con una velocità laminare di fiamma molto bassa e difficoltà di ignizione. In tale prospettiva è stata suggerita l’aggiunta di una quantità di idrogeno per facilitare il processo di conversione termochimica dell’ammoniaca. Questo studio si propone di caratterizzare la combustione di miscele di idrogeno e ammoniaca in specifiche condizioni operative per la produzione di energia, utilizzando modelli numerici basati su tecniche di fluidodinamica computazionale. In particolare, viene sviluppata una rete di reattori chimici ideali, nota come Chemical Reactor Network, in grado di simulare la combustione, superando i costi computazionali elevati, derivanti dall’utilizzo del tradizionale metodo di simulazione basato su tecniche di fluidodinamica computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD). Le tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD) possono essere un valido strumento per la progettazione e l'ottimizzazione dei sistemi come le turbine a gas, ma sono caratterizzati da un elevato costo computazionale dovuto alle dimensioni dell'intero setup. Una valida alternativa è quella di utilizzare tecniche come i Chemical Reactor Network (CRN), che rappresentano senza dubbio una delle soluzioni più interessanti per eseguire simulazioni con cinetiche dettagliate con un consistente risparmio di requisiti computazionali. Questo approccio introdotto la prima volta da Bragg, permette di descrivere un campo di flusso complesso suddividendo il dominio del combustore in un numero discreto di compartimenti. Le zone selezionate vengono suddivise da un reattore per la zona di fiamma, uno per la zona di ricircolo e uno per la zona di post-combustione; le prime due zone vengono descritte da reattori PSR (Perfectly Stirred Reactor), in cui si ottiene una perfetta miscelazione nel volume di controllo e si presume che lavori allo stazionario, l'ultima zona viene descritta dal PFR (Plug Flow Reactor), un reattore ideale tubolare in continuo a pistone, in cui non si ha mescolamento lungo l'asse del moto. Sulla base delle considerazioni fatte, il presente lavoro di tesi ha come obiettivo quello di costruire una rete di reattori che possa essere utilizzata per determinare le condizioni operative ottimali e per l’utilizzo di miscele ammoniaca e idrogeno come combustibili delle turbine a gas.