Il presente documento descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito dell’Area USI FINALI, relativamente al Progetto 1: "Sistemi di Mini-Microgenerazione elettrica, sistemi Co-Trigenerativi e sistemi di accumulo" ed in particolare sulle problematiche di trasporto e distribuzione di idrogeno dai siti di produzione all’utilizzatore finale. La tematica della logistica di trasporto e distribuzione dell’idrogeno risulta di fondamentale importanza nell’ottica dell’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico, in quanto una estesa diffusione di generatori (elettrici, di calore o cogenerativi) alimentati ad idrogeno sarà possibile solamente quando il combustibile risulterà diffuso in maniera capillare sul territorio. Tale diffusione dipende quindi in maniera diretta dalla possibile realizzazione di una rete di trasporto, accumulo e distribuzione dell’idrogeno. La problematica dell’accumulo, in pressione, liquido o con metodologie innovative riveste un’importanza fondamentale e presenta aspetti critici legati alle caratteristiche stesse dell’idrogeno (bassa densità e bassa energia specifica volumetrica) che sono in contrapposizione con le esigenze industriali di accumulare nel minimo volume e peso la massima energia. La tematica dello stoccaggio, con particolare riferimento alle tecnologie innovative di accumulo di idrogeno, è stata affrontata e descritta in dettaglio nel rapporto di Ricerca di sistema n° 07005608; nel presente documento vengono analizzate esclusivamente i criteri generali di progettazione e scelta di materiali di serbatoi in pressione. Il trasporto e la distribuzione dell’idrogeno possono essere realizzate con differenti modalità come il trasporto di idrogeno gassoso in serbatoi in pressione, il trasporto per autotrazione di gas liquefatto o la trasmissione e distribuzione di idrogeno in gasdotti. La scelta della modalità di trasporto e distribuzione dipende largamente dalla diffusione geografica e dalle necessità energetiche (in termini quindi di portata di idrogeno trasferita) delle differenti utenza. Nell’ipotesi di consumi locali di entità medio/piccola, il trasporto di idrogeno per autotrazione, compresso o liquefatto, appare come la soluzione economicamente e tecnicamente più adeguata (e risulta la modalità attualmente più diffusa). Nel caso in cui sia necessario trasferire grandi quantità di idrogeno a grandi distanze, l’ipotesi di una logistica basata su gasdotti (definiti idrogenodotti) appare invece la soluzione più indicata. Un’ulteriore differenziazione deve inoltre essere fatta a riguardo di sistemi di generazione distribuita alimentati ad idrogeno per i quali il trasporto di grandi quantità di idrogeno per lunghe distanze non risulta significativo in quanto è prevedibile che l’idrogeno sia direttamente prodotto nelle vicinanze degli utilizzatori (ad esempio sfruttando fonti rinnovabili). Per tali configurazione la logistica dell’idrogeno sarebbe caratterizzate da una rete di accumulo e distribuzione in tubazioni a pressioni medio basse e con capacità ridotta. Per tutte le tipologie di trasporto e distribuzione di idrogeno in tubazioni sono da considerare alcune problematiche di notevole importanza che sono state affrontate nell’attività svolta. La prima di queste si riferisce alla compatibilità all’idrogeno dei materiali utilizzati; infatti, l’assorbimento e la diffusione dei gas nel materiale, che è un fenomeno generale per qualsiasi gas, è particolarmente importante in presenza di idrogeno in quanto, data la minore dimensione atomica, più di altri gas può diffondere all’interno della maggior parte degli acciai degradandone le caratteristiche meccaniche. In generale il fenomeno è definito come infragilimento da idrogeno e può comportare, in funzione della concentrazione e pressione del gas, della temperatura operativa e delle caratteristiche del materiale a fenomeni di frattura e conseguente rottura anche per carichi di sforzo inferiore al carico di snervamento del materiale. L’attività effettuata ha valutato le differenti tipologie e cause di danneggiamento dei materiali da idrogeno ed ha permesso la definizione delle caratteristiche ottimali cui deve soddisfare il materiale per poter operare con il sufficiente grado di sicurezza. In generale è possibile definire dei criteri base che devono essere tenuti in conto durante la fase di scelta del materiale e progettazione del sistema. L’infragilimento da idrogeno aumenta con la pressione dell’idrogeno e con la sua purezza e la predisposizione di un materiale all’infragilimento dipende dalla composizione e microstruttura e dall’eventuale presenza di impurezze. In particolare l’infragilimento è più sensibile al crescere del contenuto

di carbonio e manganese, che facilitano la formazione di martensite più sensibile al danneggiamento da idrogeno, e risulta più critico per acciai caratterizzati da elevata resistenza meccanica. Da tali considerazioni, per la realizzazione di componenti per il trasporto e distribuzione di idrogeno, dovrebbero essere preferiti materiali con carico di snervamento non elevato (orientativamente inferiori a 290-360 MPa) ed a basso contenuto di carbonio (non superiore a 0.2% in peso) e manganese (inferiore all’1÷1.2% in peso). Parallelamente alla scelta dei materiali, particolare attenzione deve essere posta ai criteri progettuali dei differenti componenti il sistema; nel presente rapporto sono riportate le prescrizioni relative a componenti qual valvole, giunzioni flangiate, sfiati, giunti elastici, ecc. Un aspetto della massima rilevanza relativa al trasporto di idrogeno in pipeline è relativa ai flussi energetici disponibili ed ai consumi energetici necessari al trasporto in pressione del gas; un termine di confronto per il trasporto dell’idrogeno è fornito dall’analogo trasporto di gas naturale che, per l’analogia della componentistica e della configurazione impiantistica e per la grande diffusione dei gasdotti rappresenta il riferimento più significativo. L’idrogeno è caratterizzato, rispetto al gas naturale, da peso molecolare e viscosità minori e di conseguenza tubazioni di pari diametro operanti alla medesima pressione di esercizio permettono il fluire di una maggiore portata volumetrica a parità di perdita di carico lungo la linea. D’altro canto, il minor potere calorifico dell’idrogeno per unità di volume (circa un terzo rispetto al valore del gas naturale) implica che l’energia trasportata risulti, a parità delle altre condizioni, inferiore di quella relativa al gas naturale. In particolare tale effetto è particolarmente evidente a basse pressioni mentre risulta pressoché ininfluente per pressioni di linea dell’ordine dei 100 bar. Ne consegue che per ottimizzare il trasporto di idrogeno risulti necessario operare a pressioni non inferiori ai 50-60 bar. Inoltre per il trasporto di gas a grandi distanze è necessario utilizzare stazioni di ricompressione intermedie (posizionate per il gas naturale circa ogni 150 km) per recuperare le perdite di pressione lungo la linea (circa 15 bar). Per il gas naturale il consumo energetico di ogni stazione di ricompressione è dell’ordine dello 0.15%÷1.5% della potenza del combustibile (valori nel campo 10-100 bar; consumo percentuale inversamente proporzionale alla pressione di linea). Nel caso di trasporto dell’idrogeno, a causa del maggior lavoro di compressione (legato alle caratteristiche del gas), il relativo consumo delle stazioni di ricompressione è dell’ordine dello 0.5%÷4.6%. Ne consegue che, per linee di trasporto di idrogeno confrontabili alle esistenti linee di gas naturale (linee da 48" operanti a circa 70 bar), il consumo di idrogeno per ricompressione risulterebbe dell’ordine del 4.7% ogni 1000 km (rispetto all’1.3% del gas naturale) rendendo di conseguenza tali installazioni poco convenienti per grandissime distanze. Al contrario, il trasporto e la distribuzione di idrogeno per distanze relativamente modeste (quali infrastrutture interregionali) presenta consumi modesti ed appare applicabile (in particolare per il collegamento di centrali di produzione a rete di distribuzione o a linee di trasporto di gas naturale). Nel presente rapporto è stata effettuata una valutazione di una linea di trasporto lunga 500 km; per tale configurazione sono stati valutati gli aspetti energetici e confrontati i risultati ottenuti con le due tipologie di combustibile (idrogeno e gas naturale). Una possibile soluzione ai problemi legati allo sviluppo di infrastrutture per il trasporto dell’idrogeno è rappresentata dalla possibilità di miscelare idrogeno nelle linee di gas naturale esistenti e di trasportare direttamente tali miscele. I benefici di tale soluzione sono molteplici in quanto in primo luogo, potendo utilizzare le infrastrutture esistenti, permetterebbe in tempi relativamente brevi di dare un impulso allo sviluppo dell’economia dell’idrogeno consentendo, se abbinata a produzione dell’idrogeno con tecnologie di sequestro dell’anidride carbonica, ad ottenere notevoli benefici di carattere ambientale. L’attività effettuata ha permesso di valutare, in funzione delle concentrazioni di idrogeno nella miscela, la possibile riduzione delle emissioni di CO 2 , la riduzione della capacità di trasporto energetica delle attuali infrastrutture e l’incremento della pressione operativa delle linee per recuperare tale deficit. Inoltre sono stati analizzate le variazioni dei consumi energetici di ricompressione al variare della concentrazione di idrogeno nella miscela. Al fine di valutare le eventuali modifiche necessarie all’infrastruttura di trasporto per operare con miscele di gas naturale ed idrogeno, è stata analizzata l’attuale rete gas italiana (in termini di materiali e componenti) e valutata la compatibilità (o le necessarie modifiche) per poter operare con tali miscele a differenti concentrazioni. Data le differenti caratteristiche di idrogeno rispetto al gas naturale (minor energia di ignizione e più ampi campi di infiammabilità ed esplosività), è stata inoltre avviata un’attività di modellazione di scenari incidentali. Sono stati analizzati le differenti metodologie di analisi e simulazione di incendi ed esplosioni e predisposta l’implementazione di un codice (FLACS) che permette di simulare ventilazione, dispersione e

miscelamento di gas, formazione e combustione di nubi di gas combustibile e conseguente propagazione di fronti di fiamma e di pressione. Sono inoltre stati individuati due casi prova ritenuti significativi delle problematiche della logistica dell’idrogeno (tubazione aerea di trasporto e/o distribuzione di idrogeno, serbatoi in pressione per accumulo di idrogeno) che saranno analizzati nel prosieguo delle attività A completamento dell’attività svolta è stata valutata la situazione normativa relativa alla logistica dell’idrogeno e riportate le più significative attività internazionali a riguardo.