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• modello zero dimensionale
• settore navale
• sistemi di compressione per l'idrogeno
• tank-tainer

Il presente lavoro di tesi si inserisce nel contesto della crescente attenzione verso l’impiego dell’idrogeno come vettore energetico per applicazioni navali, in linea con gli obiettivi europei di decarbonizzazione del settore marittimo. L’obiettivo principale è stato lo sviluppo e l’analisi di un modello numerico zero-dimensionale (0D), implementato mediante il software commerciale AVL Cruise-M, capace di simulare il processo di rifornimento di idrogeno gassoso compresso in serbatoi ad alta pressione di tipo IV.
Il caso studio ha riguardato un sistema di stoccaggio costituito da un tank-tainer composto da otto serbatoi da 1934 L ciascuno, alimentati da un sistema di compressione basato su due compressori idraulici in serie (DDE a due stadi e MDH monostadio), di cui l’azienda costruttrice ha fornito i principali parametri operativi. Al fine di garantire una descrizione completa del processo, nel modello sono stati integrati anche i sistemi ausiliari di interrefrigerazione e di precooling, così da valutare non solo l’evoluzione termo-fluidodinamica delle variabili chiave analizzate all’interno dei serbatoi, ma anche i consumi energetici legati alla catena di compressione e ai sistemi di raffreddamento.
Le simulazioni hanno esplorato un ampio spettro di condizioni operative, variando la temperatura di immissione dell’idrogeno tra –40 °C e +40 °C e adottando differenti strategie di controllo e di portata. Per il sistema tank-tainer sono state considerate configurazioni con logica di controllo standard e alternativa della catena di compressione, scenari con portata ridotta e un caso con portata massima fissata al valore raccomandato dalla normativa SAE J2601 per il fast-filling. Parallelamente, è stato condotto uno studio su un singolo serbatoio da 1934 L e su un serbatoio equivalente da 15472 L (volume totale degli otto tank), per verificare la coerenza del modello e confrontare direttamente i risultati con il sistema multi-tank; anche in questo caso sono stati analizzati scenari con portata variata e con differenti logiche di controllo del sistema di compressione.
I risultati hanno evidenziato come le variabili chiave, quali pressione, temperatura, massa e densità finale di idrogeno nei serbatoi, siano fortemente influenzate dalla temperatura di ingresso e dalla portata. A portate ridotte i tempi di riempimento aumentano, le temperature finali rimangono contenute e le capacità di stoccaggio subiscono un lieve incremento; al contrario, con portate elevate i tempi di rifornimento si riducono, a scapito di un maggiore incremento termico, in alcuni casi oltre i limiti previsti dalla normativa SAE J2601, rendendo necessario il precooling. L’analisi del sistema di compressione ha inoltre consentito di stimare potenze, energie e consumi specifici dei singoli stadi, confrontandoli con il lavoro isoentropico teorico, fornendo così un quadro completo non solo dei tempi di rifornimento e delle masse stoccate, ma anche dei consumi energetici richiesti dal processo. I risultati hanno confermato la coerenza del modello rispetto ai dati dichiarati dal costruttore e ai valori di letteratura.
Il lavoro affronta inoltre il contesto applicativo e lo stato dell’arte dell’idrogeno nel settore navale, con particolare attenzione ai metodi di produzione, alle tecnologie di propulsione, alle soluzioni di stoccaggio, al confronto con carburanti alternativi e agli aspetti di fattibilità economica. Vengono poi analizzate le strutture e le tecnologie per il rifornimento, effettuando una panoramica sul bunkering di idrogeno e sull’utilizzo dei tank-tainer. Viene inoltre fornita un’analisi delle tecnologie di compressione per idrogeno, con approfondimento sui compressori idraulici impiegati nel caso studio. Successivamente, vengono descritti il modello sviluppato, il setup numerico e le condizioni al contorno, seguiti dall’analisi dei risultati ottenuti e dalla discussione critica delle diverse configurazioni operative. Infine, vengono tratte considerazioni sull’applicabilità del sistema in ambito navale.
In sintesi, il modello sviluppato rappresenta uno strumento efficace per comprendere i compromessi tra rapidità del rifornimento, controllo termico ed efficienza energetica, e fornisce indicazioni progettuali di rilievo per il futuro impiego dei sistemi a idrogeno nel settore marittimo.