25.06.2022
Come possiamo immagazzinare efficacemente l’idrogeno liquido sui treni?Un articolo pubblicato di recente sulla rivista Energies ha esaminato i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno liquido e i sistemi di isolamento per locomotive ad alta potenza. L'idrogeno ha acquisito un'importanza significativa come combustibile che può aiutare il settore dei trasporti a raggiungere la neutralità del carbonio. L'idrogeno può essere immagazzinato in forma chimica, liquida o gassosa. Tra queste forme, l'idrogeno immagazzinato in forma liquida/idrogeno liquido possiede la più alta densità di energia e può essere facilmente convertito in idrogeno gassoso. Pertanto, l'idrogeno liquido è adatto come carburante per veicoli con spazio limitato e che richiedono un'enorme potenza o alta velocità, come droni, navi e locomotive. Inoltre, l'uso dell'idrogeno liquido può ridurre il peso di veicoli ad alta potenza come le locomotive in quanto ha una densità di energia maggiore rispetto alle batterie, consentendo il carico di più merci e offrendo un lungo chilometraggio. I treni a idrogeno possono essere efficaci come locomotive ad alta potenza a lunga percorrenza o a più unità e utilizzati in sostituzione dei treni diesel esistenti per ridurre l'inquinamento atmosferico, in particolare l'emissione di inquinanti atmosferici indiretti come il monossido di carbonio e inquinanti atmosferici diretti come il particolato . I treni a idrogeno sono stati studiati attivamente da diverse aziende e istituti di ricerca in diversi paesi come Cina, Stati Uniti (USA) e Corea. Tuttavia, l'isolamento termico dell'idrogeno liquido è impegnativo in quanto deve essere immagazzinato in uno stato criogenico, il che richiede uno studio analitico dei serbatoi di idrogeno liquido. I materiali interni, come gli schermi raffreddati a vapore (VCS), l'alto vuoto, l'isolamento multistrato (MLI) e le bolle di vetro sono in genere utilizzati per l'isolamento termico. In questo studio, i ricercatori hanno eseguito una revisione della letteratura per la modellazione termodinamica di serbatoi di stoccaggio di idrogeno liquido per applicazioni nel settore dei trasporti. La letteratura è stata suddivisa in studi di modellizzazione sistematica, dinamica e statica. La maggior parte dei serbatoi di idrogeno liquido sono integrati con le navi o rimangono indipendenti dal veicolo di trasporto durante il trasporto. I materiali comunemente usati per fabbricare serbatoi di idrogeno liquido, come materiali compositi, titanio e leghe di alluminio e acciaio inossidabile, diventano fragili in condizioni criogeniche. Altri materiali, come il rame, possiedono un effetto isolante inferiore rispetto all'acciaio e possono essere utilizzati per il vaso interno. La fibra di vetro, come G11, G10-CR e G10, può essere utilizzata per supporti e sospensioni in serbatoi fissi di piccole dimensioni, mentre l'acciaio inossidabile può essere utilizzato per serbatoi mobili di grandi dimensioni, aumentando la dispersione del calore. Lo strato d'aria presente nell'intercapedine tra le pareti esterne ed interne del recipiente può essere configurato come irraggiamento termico tra solidi e conduzione termica dei gas. I sensori di temperatura, pressione e livello collegano le pareti esterne ed interne dei serbatoi di idrogeno. Il materiale esterno e del filo dei sensori può essere rispettivamente di acciaio inossidabile 316L e rame. La pellicola di poliimmide può essere utilizzata come materiale di rivestimento per isolare il filo di rame. L'isolamento in schiuma spray (SOFI) è adatto come materiale interno poiché la pressione del vuoto ha un piccolo effetto sul materiale, a differenza dell'MLI. Tuttavia, MLI ha dimostrato prestazioni di isolamento significativamente migliori rispetto a SOFI, mentre una microsfera di vetro cavo (HGM) ha mostrato prestazioni superiori rispetto a MLI. MLI è composto da un distanziatore a bassa conducibilità termica e da un riflettore a bassa emissività termica. Per l'MLI sono state utilizzate particelle di perlite e fogli di poliestere rivestiti di allumina, con reti Dacron e Kapton utilizzate rispettivamente come distanziatore e riflettore. Lo spessore del distanziatore può essere modificato per migliorare le prestazioni di isolamento MLI. Inoltre, la combinazione di MLI e schiuma ha mostrato prestazioni migliori rispetto a MLI. La simulazione MLI utilizzando il modello Lockheed basato su formule semi-empiriche può risolvere rapidamente il flusso di calore complessivo, mentre la simulazione utilizzando il modello strato per strato basato su un algoritmo iterativo può determinare la temperatura di ogni strato in MLI. La conduttività termica, il flusso di calore critico (CHF) e il coefficiente di trasferimento del calore (HTC) dell'idrogeno sono stati studiati in studi precedenti. Ad esempio, è stato riassunto il flusso di nucleati HTC bollente di idrogeno liquido ed è stata suggerita una rete neurale artificiale che può derivare HTC. Il calore sensibile dell'idrogeno liquido è più significativo rispetto al suo calore di vaporizzazione fino a quando l'idrogeno raggiunge uno stato gassoso a temperatura ambiente e il rapporto tra i due aumenta con l'aumento della pressione. Ad esempio, il rapporto era 23,70 a 1,2 MPa e 7,82 a 100 kPa e l'entalpia è cambiata di 3860 kJ/kg durante la vaporizzazione da -253 a 20 oC. Sebbene il calore di vaporizzazione dell'idrogeno liquido fosse inadeguato per raffreddare la cella a combustibile, aiutava a isolare il serbatoio dell'idrogeno liquido. Inoltre, il rapporto di espansione della vaporizzazione dell'idrogeno liquido era 848, il che implica che 100 kPa di idrogeno liquido possono essere vaporizzati a 172 MPa di idrogeno in fase vapore, che è sostanzialmente superiore alla pressione dell'idrogeno gassoso di 300 kPa–1,6 MPa nelle tipiche celle a combustibile dei veicoli . Pertanto, è necessario un efficace controllo della pressione dal recipiente all'ingresso della cella a combustibile e al vaporizzatore. Il VCS è una tecnologia utilizzata al confine tra isolamento attivo e isolamento passivo e si trova tra l'estremità MLI e la parete interna. Gli studi hanno dimostrato che il trasferimento di calore nel VCS era uguale alla differenza del calore che esce ed entra nel VCS. Tuttavia, si presumeva che il trasferimento di calore attraverso il VCS fosse calore sensibile generato dalla differenza tra la temperatura esterna e la temperatura del vapore saturo. Il rapporto di ebollizione (BOR) si riferisce al rapporto di ebollizione del gas (BOG) generato in un giorno dall'intero serbatoio. Gli studi hanno dimostrato che il BOR delle navi mobili era considerevolmente superiore a quello delle cisterne fisse a causa dello sloshing dovuto alle vibrazioni, il che aumentava lo spessore della stratificazione. Un altro studio sull'impatto dello sloshing sinusoidale orizzontale sui serbatoi verticali ha dimostrato che la curva tempo-pressione aumenta quando la condizione di vibrazione supera la frequenza e l'ampiezza critiche. Il serbatoio del carburante e la capacità delle celle a combustibile sono determinati in base allo scopo del veicolo a idrogeno. Tram, camion e autobus richiedono in genere da due a quattro moduli di celle a combustibile, mentre le locomotive richiedono da uno a due moduli di celle a combustibile per ciascuna delle loro sei ruote. L'efficienza del carburante può ridursi con l'aumento di peso dovuto ai passeggeri e al carico. Ad esempio, l'efficienza del carburante di un'auto personale è di 90-100 km/kg, mentre l'efficienza di una locomotiva è di 1-2 km/kg. Sono in corso sforzi per organizzare una locomotiva a idrogeno liquido da una locomotiva diesel-elettrica convenzionale. Nella progettazione della locomotiva a idrogeno liquido, il flusso di massa e i componenti del motore della locomotiva diesel verranno modificati per il sistema di alimentazione dell'idrogeno e la cella a combustibile, mentre il sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) rimarrà invariato. Tuttavia, il dimensionamento e la disposizione del sistema HVAC verranno modificati a causa della differenza nella quantità di calore generato dalla cella a combustibile e dal motore. Le ultime tecnologie, il raffreddamento a cambio di fase o di liquido, possono essere utilizzate per ridurre il volume del sistema HVAC. Il serbatoio dell'idrogeno liquido può essere fabbricato a forma sferica e posizionato all'interno della locomotiva per massimizzare l'effetto di isolamento termico, poiché i serbatoi sferici hanno un basso rapporto superficie-volume. Tuttavia, un serbatoio di tipo cilindrico è spesso preferito al tipo a sfera a causa dell'efficienza di utilizzo dello spazio. L'efficienza del serbatoio del carburante può essere aumentata eseguendo un'analisi termica e strutturale e adottando una procedura di progettazione che prevede la selezione del materiale. Ad esempio, il controllo della pressione utilizzando la microgravità del serbatoio ha aumentato l'efficienza del serbatoio del carburante. Inoltre, la modifica dello sfiato in base alla disposizione dei serbatoi ha anche migliorato l'efficienza del sistema. Il documento ha esaminato le recenti tendenze nella ricerca sui treni a idrogeno e la modellazione termodinamica dei serbatoi di idrogeno. In futuro, sono necessarie ulteriori ricerche sul design ottimale della sospensione tra deflettori e vasi nel vaso interno per ridurre al minimo il BOG. Inoltre, devono essere studiati il ​​metodo e la posizione ottimali di drenaggio e riempimento, la disposizione e i materiali del sistema di isolamento e della parete del serbatoio, le diverse disposizioni, posizioni, forme e il controllo dinamico del flusso di massa, del sistema del vaporizzatore e della pressione dei serbatoi dell'idrogeno liquido per migliorare lo stoccaggio dell'idrogeno in diversi veicoli, in particolare locomotive.