Tecnologie dell'idrogeno e dello storage elettrochimico

CARATTERISTICHE

SVANTAGGI

VANTAGGI la membrana permette lo scambio

tecnologia matura compressione intermittente termico favorendo il

p fino a 950 bar fragilità per rottura raffreddamento del gas compresso e

membrana non consente la contaminazione

dell’H2 con l’olio lubrificante

si ottengono elevati rapporti di

compressione e quindi si possono

raggiugnere i 700 bar con pochi stadi

di compressione

Si deve avere una purificazione dell’H2

molto elevata sennò si avvelena la

membrana

sono un tipo di compressore liquido: viene utilizzato un liquido per comprimere

direttamente un gas e lavorano in assenza di meccaniche scorrevoli.

COMPRESSORI IONICI Questo tipo di compressione è abbastanza costosa perché sono

in grado di garantire un processo quasi isotermico, infatti il

liquido e il gas sono compressi insieme ma, poiché il liquido ha

☐

densità e capacità termica maggiori, il calore generatore dalla

compressione viene assorbito in modo efficiente dal liquido e

dalle pareti della camera di compressione.

Sono stati sviluppati per aumentare l’efficienza di compressione

quando si utilizza H2.

I liquidi ionici sono sali a basso punto di fusione e nella cavità

sono allo stato liquido, hanno:

buona stabilità termica e chimica

alta conducibilità ionica

ritardo di fuoco

moderata viscosità

alta polarità

volatilità trascurabile

Permette di ottenere ottime prestazioni anche grazie al fatto

che la solubilità dell’H2 in molti liquidi ionici è trascurabile, questo

comporta efficienze volumetriche elevate e alti rapporti di compressione.

L’uso di liquidi ionici per la compressione dell’H2 garantiscono un basso consumo energetico, una lunga

durata, l’utilizzo di materiale a basso costo e basse emissioni sonore. Tuttavia, rimane il rischio di

corrosione che può abbassare l’efficienza. SVANTAGGI

VANTAGGI CARATTERISTICHE

il pistone è un liquido che ha la

solo per grandi quantità

si gestisce semplicemente il caratteristica di reagire poco con

perdita di liquido ionico

raffreddamento l’H2: il liquido ionico non ha quasi

(serve il recupero)

non troppe parti scambio di goccioline con l’H2

bisogna utilizzare materiali

meccaniche in movimento non si ha contaminazione con l’olio

contro la corrosione

bassi consumi energetici lubrificante

non troppo rumore si passa da uno stadio all’altro fino a

elevata purezza dell’H2 raggiungere la pressione voluta, fino

anche a 1000 bar in 5 stadi e

rendimenti del 70%

il consumo stimato è di circa 3 kWh/kg

di H2, circa il 25% in meno dei

compressori alternativi

Usato dove serve H2 molto puro, ma

dove l’H2 costa molto per recuperare

gli investimenti ingenti di questa

tipologia

Il pistone è direttamente collegato ad un motore elettrico lineare con

COMPRESSORI LINEARI magneti mobili accoppiato ad un sistema di molle risonanti, riducendo il

numero di unità mobili per via dell’assenza di un gruppo asta-manovella.

La corsa all’asta è lineare, quindi l’azione che il pistone compie sulla

superficie laterale del cilindro è costate, per cui non sono necessari oli di

lubrificazione.

Il basso numero di componenti rotanti rende la disposizione dell’interno

sistema più semplici rispetto gli altri compressori, portando a costi

minori.

Sono usati per applicazioni criogeniche e non ancora per l’H2, ma gli

obiettivi del DOE (Dipartimento dell’Energia US) si concentrano

sull’aumento dell’efficienza di compressione e sulla riduzione dei costi dei

compressori di H2 ed hanno reso i compressori lineari molto interessanti.

Il motore a magneti mobili consiste in una serie di bobine cave che si

muovono solo in direzione assiale immerse in un forte campo magnetico

radiale, questo tipo di motore offre: alta affidabilità, bassa velocità di

degassamento del materiale e buona dissipazione termica.

CARATTERISTICHE

molto simili ai compressori alternativi

riesce a lavorare bene anche senza olio (si evitano contaminazioni)

è possibile variare il volume minimo della camera e conseguentemente la p di uscita

lo smaltimento del calore è un problema, infatti la trasformazione migliore per una compressione

è una isoterma (contemporaneamente si aumenta la pressione ed si asporta calore)

usato per applicazioni criogeniche (frigoriferi) e non ancora per la compressione dell’idrogeno

Sono un tipo di compressore liquido.

COMPRESSORI ROTATIVI I compressori rotativi sono utilizzati per comprimere un gas ad alto

contenuto di liquidi.

È composto da una girante eccentrica in un telaio dello statore e

composta da una serie di lame che si estendono radialmente.

La girante costringe il liquido a muoversi in modo oscillatorio

formando un anello che comprime in gas introdotto da una porta

posta al centro del rotore.

CARATTERISTICHE

Utilizzati per applicazioni che coinvolgono un vuoto o quando devono essere manipolati gas saturi

Non molto utilizzati in generale perché hanno bassa efficienza (50%)

CONSIDERAZIONE ENERGETICHE SULLA COMPRESSIONE

Portare l’H2 ad alte pressioni, addirittura fino a liquefazione, comporta un aumento di densità volumetrica e

allo stesso tempo un consumo di energia molto elevato, comparabile al 25% del potere calorifico dell’H2.

La compressione può essere:

adiabatica

isoterma

Il lavoro di compressione associato ad un’isoterma è molto più piccolo di quello associato ad un’adiabatica.

Per realizzare un’isoterma (compressione e asportazione del calore) non si usa una sola macchina, in quanto

le macchine con buona compressione sono generalmente cattive scambiatrici di calore e viceversa. Quindi:

gli scambi di lavoro sono fatti adiabaticamente

gli scambi di calore sono fatti in condizioni isobare

La trasformazione isoterma è il risultato di una successione di stati di compressione e raffreddamento.

Immaginando, in sede limite, di poter considerare le energie necessarie per la compressione come % del

potere calorifico superiore, possiamo notare che all’aumentare della pressione:

nel caso di trasformazione adiabatica l’energia spesa cresce

nel caso di trasformazione isoterma l’energia rimane circa costante

Laddove si consideri la compressione isoentalpica bisogna considerare l’effetto Joule-Thomson.

Il coefficiente di Joule-Thomson tiene conto delle variazioni di temperatura associate ad una variazione di

pressione:

Questo coefficiente può essere positivo o negativo.

Immaginando il riempimento di un serbatoio di un’auto, la trasformazione che si ha nell’attraversamento di

una valvola è un’isoentropica (non c’è scambio di calore perché è una trasformazione molto rapida e non c’è

scambio di lavoro) dove l’H2 passa da 800 bar a 700 bar.

L’espansione dell’H2 comporta un riscaldamento in quanto il coefficiente di J-T è minore di 0, per questo

prima di essere erogato viene raffreddato.

Se il coefficiente fosse maggiore di 0 il gas si raffredderebbe durante l’espansione, ma non è questo il caso

dell’H2.

Vediamo come per l’H2 a patm, a temperature minori di 200 K (-73°C), il coefficiente di J-T è positivo.

Considerando la riduzione di temperatura in funzione della riduzione di pressione:

a sinistra della linea rossa il coefficiente di J-T è maggiore di 0 perché a fronte di una riduzione di

pressione (espansione) si ha una riduzione della temperatura (raffreddamento)

a destra della linea rossa il coefficiente di J-T è minore di 0, a fronte di un’espansione e percorrendo

un’isoentalpica, c’è un aumento di temperatura

3) LIQUEFAZIONE

Interessante perché si riescono ad ottenere densità pari a 70,9 kg/m3 e l’H2 a patm è liquido a 20 K.

Il fatto che si lavori a basse pressioni comporta una maggiore sicurezza.

Esistono già impianti, anche di grandi dimensioni, e valutando i costi e le perdite dei serbatoi si arriva ad

una perdita pari al 35% del potere calorifico.

La liquefazione è utilizzata per trasportare grandi quantità di H2 su navi e trailer.

Si può ipotizzare una perdita giornaliera di 0,2-0,3%/giorno a causa del boil-off: rilascio di parte dell’H2 per

effettuare un’espansione con abbassamento della temperatura.

L’H2 liquido ha un range di esistenza abbastanza limitato, infatti dal diagramma delle fasi dell’H2 si nota che

la temperatura di ebollizione ad 1 bar è di 20,4 K, mentre il congelamento è a 14 K.

Il lavoro di liquefazione può essere ottenuto come somma di tre termini:

calore necessario al raffreddamento (fino a 20 K)

calore necessario per ottenere la conversione della forma orto alla forma para

calore necessario al passaggio di stato

Considerando l’effetto di Joule-Thomson, i processi di liquefazione possono essere classificati in base alla

massima temperatura di inversione del gas da liquefare rispetto alla temperatura ambiente.

Se la massima temperatura di inversione dell’H2 è minore della temperatura ambiente, i processi di pre-

raffreddamento vengono utilizzati per la liquefazione dell’H2.

Siccome la temperatura massima di inversione dell’H2 è inferiore a quella

ambiente si necessita di pre-raffreddamento

si basa su un coefficiente di J-T>0 e sulla riduzione della pressione attraverso

una valvola di espansioni

PROCESSO DI Questo processo richiede notevoli quantità di azoto liquido (il processo L-H

LINDE-HAMPTON dell’aria viene combinato con un bagno di azoto per l’H2)

Affinché il coefficiente sia maggiore di 0 occorre che prima che si arrivi alla

valvola di espansione si raggiungano delle temperature molto basse (200 K a

patm)

Sul piano T-S si fa:

1) compressione isoterma

2) raffreddamento isobaro (H2 scambia calore con

l’azoto liquido fino a farlo gassificare arrivando a

circa -80°C)

3) ulteriore raffreddamento isobaro fino a

raggiungere il punto 4

4) espansione isoentalpica attraverso la valvola di

espansione

Alla fine della laminazione mi trovo in un punto al di sotto

della campana, dove la frazione di liquido è data dalla

somma del tratto rosso e del tratto verde fratto il

tratto rosso.

A valle dell’espansione c’è un separatore che separa l’H2

liquefatto (che per densità precipita sul fondo) da quello

ancora gassoso.

L’H2 gassoso si va a riscaldare nei due scambiatori, infatti

nell’ultimo scambiatore avviene solo lo scambio termico

tra l’H2 da liquefare e H2 rimasto allo stato gassoso.

Questo non &egra