Ottimizzazione del progetto di un magnesio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13436 (2022) Citare questo articolo

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Gli idruri metallici (MH) sono noti come uno dei gruppi di materiali più adatti per lo stoccaggio dell'energia dell'idrogeno a causa della loro grande capacità di stoccaggio dell'idrogeno, della bassa pressione operativa e dell'elevata sicurezza. Tuttavia, la loro lenta cinetica di assorbimento dell’idrogeno riduce significativamente le prestazioni di stoccaggio. Una rimozione più rapida del calore dallo stoccaggio MH può svolgere un ruolo essenziale per aumentare il tasso di assorbimento dell’idrogeno, con conseguente miglioramento delle prestazioni di stoccaggio. A questo proposito, il presente studio mira a migliorare le prestazioni di trasferimento del calore per avere un impatto positivo sul tasso di assorbimento dell’idrogeno dei sistemi di stoccaggio MH. Una nuova bobina semicilindrica viene inizialmente progettata e ottimizzata per lo stoccaggio dell'idrogeno e incorporata come scambiatore di calore interno con aria come fluido di trasferimento del calore (HTF). L'effetto delle nuove configurazioni dello scambiatore di calore viene analizzato e confrontato con la normale geometria della serpentina elicoidale, in base a varie dimensioni del passo. Inoltre, i parametri operativi dello stoccaggio MH e HTF vengono studiati numericamente per ottenere valori ottimali. Per le simulazioni numeriche viene utilizzato ANSYS Fluent 2020 R2. I risultati di questo studio dimostrano che le prestazioni di accumulo MH sono significativamente migliorate utilizzando uno scambiatore di calore a serpentina semicilindrico (SCHE). La durata dell'assorbimento dell'idrogeno si riduce del 59% rispetto ad un normale scambiatore di calore a spirale elicoidale. Il passo della bobina più basso di SCHE porta ad una riduzione del 61% del tempo di assorbimento. In termini di parametri operativi per lo stoccaggio MH con SCHE, tutti i parametri selezionati forniscono un notevole miglioramento nel processo di assorbimento dell’idrogeno, in particolare la temperatura di ingresso dell’HTF.

Su scala globale è in corso un allontanamento dalle risorse energetiche basate sui combustibili fossili verso forme di energia rinnovabile. Poiché molte forme di energia rinnovabile forniscono elettricità in modo dinamico, è necessario lo stoccaggio dell’energia per bilanciare il carico. Lo stoccaggio dell'energia basato sull'idrogeno sta ricevendo molta attenzione a questo scopo, anche perché l'idrogeno può essere impiegato come combustibile alternativo "verde" e mezzo di stoccaggio dell'energia, grazie alle sue caratteristiche e alla portabilità1. Inoltre, l’idrogeno offre anche una maggiore capacità energetica per massa rispetto ai combustibili fossili2. Esistono quattro tipi principali di stoccaggio dell’energia dell’idrogeno: gas compresso, stoccaggio sotterraneo, stoccaggio liquido e stoccaggio solido. Il gas idrogeno compresso è il tipo principale utilizzato nei veicoli a celle a combustibile come autobus e carrelli elevatori. Tuttavia, questo stoccaggio fornisce una bassa densità volumetrica di idrogeno (circa 0,089 kg/m3) e presenta problemi di sicurezza per quanto riguarda l’elevata pressione operativa3. Lo stoccaggio liquido immagazzinerà l’idrogeno in forma liquida, sulla base del processo di conversione a bassa temperatura e pressione ambiente. Tuttavia, durante il processo di liquefazione si verifica una perdita di energia di circa il 40%. Inoltre, questa tecnica è nota anche per il maggiore consumo energetico e per il tempo richiesto rispetto alla tecnica di stoccaggio solido4. Lo stoccaggio solido è un’opzione fattibile per l’economia dell’idrogeno che immagazzina idrogeno combinandolo all’interno di materiali solidi attraverso l’assorbimento e rilasciando idrogeno attraverso il desorbimento5. L'idruro metallico (MH) è una delle tecnologie di stoccaggio di materiali solidi che ha recentemente attirato un notevole interesse nelle applicazioni delle celle a combustibile perché ha un'elevata capacità di idrogeno, una bassa pressione operativa e un basso costo rispetto allo stoccaggio di liquidi, sia per applicazioni fisse che mobili6, 7. Inoltre, i materiali MH offrono anche prestazioni sicure come stoccaggio efficiente ad alto volume8. Tuttavia, esiste un problema che limita le prestazioni MH: i reattori MH soffrono di una bassa conduttività termica9, con conseguente lento assorbimento e desorbimento dell’idrogeno.

Il trasferimento appropriato del calore durante le reazioni esotermiche ed endotermiche è la chiave per migliorare le prestazioni del reattore MH. Per il processo di carica dell'idrogeno, il calore generato deve essere rimosso dal reattore per controllare il flusso di carica dell'idrogeno alla velocità desiderata con la massima capacità di stoccaggio10. Al contrario, è necessario il calore per migliorare la velocità di rilascio dell’idrogeno durante il processo di scarico. Per migliorare le prestazioni di trasferimento di calore e massa, molti ricercatori hanno studiato la progettazione e l'ottimizzazione sulla base di diversi fattori tra cui parametri operativi, struttura MH e ottimizzazione MH11. L'ottimizzazione dell'MH può essere effettuata aggiungendo materiali ad alta conduttività termica come le schiume metalliche nel letto MH12,13. Con questo metodo la conduttività termica effettiva può essere aumentata da 0,1 fino a 2 W/mK10. Tuttavia, l’aggiunta di materiale solido riduce significativamente la capacità del reattore MH. Per quanto riguarda i parametri operativi, è possibile ottenere miglioramenti ottimizzando le condizioni operative iniziali del letto MH e del fluido termovettore (HTF). La struttura MH può essere ottimizzata mediante la geometria del reattore e la disposizione dei progetti dello scambiatore di calore14. In termini di configurazione dello scambiatore di calore del reattore MH, gli approcci possono essere classificati in due tipi. Si tratta di uno scambiatore di calore interno, incorporato nel letto MH, e di uno scambiatore di calore esterno come alette, camicia di raffreddamento e bagnomaria che ricoprono il letto MH15. Per lo scambiatore di calore esterno, Kaplan16, ha analizzato le prestazioni di un reattore MH utilizzando acqua di raffreddamento come camicia per ridurre la temperatura all'interno del reattore. I risultati sono stati confrontati con un reattore con 22 alette circolari e un altro reattore che si raffredda per convezione naturale. Hanno affermato che avere una camicia di raffreddamento riduceva significativamente la temperatura MH con conseguente migliore tasso di assorbimento. Lo studio numerico del reattore MH con camicia d'acqua di Patil e Gopal17, ha indicato che la pressione di fornitura dell'idrogeno e la temperatura dell'HTF sono i parametri chiave per influenzare i tassi di assorbimento e desorbimento dell'idrogeno.