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Scale up di sistemi di accumulo di idrogeno ad idruri metallici: verifiche sperimentali e progettazione preliminare di accumulatore pilota

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Scale up di sistemi di accumulo di idrogeno ad idruri metallici: verifiche sperimentali e progettazione preliminare di accumulatore pilota

Il CESI RICERCA ha attivato da alcuni anni programmi di ricerca su materiali per lo stoccaggio di idrogeno, in particolare su idruri metallici: le attività sperimentali hanno riguardato dapprima gli idruri di tipo AB5 a base lantanio e nichel, disponibili a livello commerciale, utilizzando i quali sono stati realizzati serbatoi di accumulo di diverse dimensioni (da 100 a 6500 Nl di idrogeno); le caratteristiche di questi sistemi si sono dimostrate abbastanza soddisfacenti, raggiungendo capacità di accumulo pari a 1.2 wt% con cinetiche discrete dell’ordine dei 30 minuti per una carica o scarica completa. Questi sistemi, operanti a temperature piuttosto basse (70-80 °C), sono tra l’altro facilmente accoppiabili a celle a combustibile PEFC e hanno mostrato un degrado delle prestazioni contenuto anche dopo un numero considerevole di cicli. La necessità di contenere i costi al fine di uno sviluppo industriale di tali sistemi per lo stoccaggio di idrogeno, con l’ottimizzazione dei processi di produzione delle polveri, che comprendono processi di macinazione, sinterizzazione ecc., ha orientato la ricerca e lo sviluppo verso polveri basate su materiali più economici rispetto al lantanio e al nichel, quali ad esempio il magnesio. E’ proprio su idruri di magnesio che si è focalizzata l’attività del CESI RICERCA nell’ultimo triennio, con una prima fase di definizione della composizione delle polveri e di sperimentazione in laboratorio, attività svolta in collaborazione con il Gruppo Idrogeno dell’Università di Padova e con Venezia Tecnologie per la produzione delle polveri. Si è proseguito con la progettazione e la realizzazione di sistemi di taglia superiore: nelle applicazioni industriali i sistemi di accumulo devono garantire una capacità complessiva che può variare da pochi chili di idrogeno (4 ÷ 5 kg per le auto) fino a centinaia di chili; ciò significa avere da pochi chili a diverse tonnellate di idruro metallico. Di conseguenza, per sviluppare sistemi di accumulo efficienti si devono considerare gli effetti di scala (dovuti principalmente alla bassa conducibilità termica degli idruri e alla scarsa diffusione dell’idrogeno al loro interno), ottimizzando lo scambio termico e la geometria dell’accumulatore. Nel corso del 2007 è stato realizzato un accumulatore contenente circa 500 grammi di idruro di magnesio, allo scopo di testare un sistema che rappresentasse un gradino intermedio tra le prove su campioni di laboratorio (circa 0.5 gr) e un sistema prototipale (circa 5kg). La sperimentazione su tale accumulatore, la cui geometria è stata progettata ottimizzando le caratteristiche di scambio termico e minimizzando i fenomeni termici locali (eccessivo riscaldamento locale o raffreddamento locale), possibile causa del degrado delle polveri, ha fornito risultati interessanti La capacità massima di accumulo di idrogeno è stata pari al 5.35% in peso con 300 Nl di idrogeno immagazzinato; le cinetiche registrate, seppure siano risultate più lente di un fattore 4 in assorbimento e di un fattore 10 in desorbimento rispetto alle prove di laboratorio, sono state soddisfacenti, con durate dell’ordine di 90 minuti e quindi compatibili con eventuali impieghi stazionari in centrali di coproduzione di energia elettrica ed idrogeno, in cui si potranno avere cicli di carica e scarica di 6-8 ore. E’ stato invece riscontrato un fenomeno di degrado delle polveri, con un dimezzamento delle capacità di accumulo di idrogeno in tempi brevi, (dopo una ventina di cicli assorbimento/desorbimento). Tale degrado è stato giudicato imputabile ad un fenomeno di impaccamento delle polveri (che si pone come ostacolo alla diffusione dell’idrogeno), conseguente alla loro frantumazione durante i cicli di carica/scarica e favorito dall’effetto gravimetrico dovuto al peso proprio della polvere, in un sistema di dimensioni caratterizzato da dimensioni (in particolare proprio nella direzione verticale) non trascurabili. Tale tipo di degrado della polvere è stato osservato anche negli accumulatori di scala ridotta, composti da un tubo posto in verticale contenente circa 30 grammi di polvere di idruro di magnesio, anche quando all’interno del tubo è stato inserito un elemento poroso al fine di favorire il cammino dell’idrogeno all’interno delle polvere. E’ stato quindi deciso di modificare la configurazione degli accumulatori al fine di eliminare o almeno ridurre il fenomeno dell’impaccamento e l’attività del 2008 ha dunque affrontato la realizzazione di accumulatori posti in orizzontale, riempiti con polvere di idruro in modo da lasciare un cielo di idrogeno tale da consentire il più possibile l’assorbimento e il desorbimento della polvere nel suo complesso. Dapprima sono stati provati accumulatori contenenti una quantità limitata (30 g) di idruro; le prove sono state effettuate utilizzando due polveri la cui composizione si è differenziata in particolare per la presenza di un diverso catalizzatore. In seguito all’attività sugli accumulatori da 1/2" è stato provato un accumulatore da 1" contenente 100 gr di polvere con lo scopo di semplificare la realizzazione di accumulatori di grossa taglia e di diminuirne il peso

complessivo. Anche in questo caso i risultati sono stati incoraggianti, benché incompleti, a causa di un problema alla pompa di ricircolo dell’olio diatermico che ha comportato l’interruzione della sperimentazione prima di avere risultati definitivi. L’ottimizzazione del sistema ed il suo scale-up hanno portato alla progettazione e realizzazione di un prototipo di accumulatore da 500 g di polvere, sempre in configurazione orizzontale, costituito da tubi paralleli contenenti l’idruro, posti in un serbatoio in cui circola il fluido termico (olio diatermico). I risultati hanno confermato la funzionalità della scelta progettuale della configurazione orizzontale dei tubi contenenti la polvere: il sistema ha presentato una buona capacità di accumulo. La sperimentazione eseguita ha permesso la definizione della configurazione di base del prototipo di un accumulatore pilota per impieghi industriali. L’attività futura prevede la realizzazione di prove di lunga durata sull’accumulatore nella configurazione con tubi orizzontali, per analizzare l’effetto del degrado della polvere sulle prestazioni del sistema.

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