Stazioni di Rifornimento di Idrogeno HRS: progettazione all’insegna di Efficienza, Sicurezza e Convenienza, con Simcenter Amesim

La Complessa Realtà delle Stazioni di Rifornimento di Idrogeno

Nonostante l’apparenza lineare e ordinata, i sistemi interni delle HRS sono complessi.

Le HRS comprendono molteplici componenti interconnessi, come compressori, valvole, serbatoi, scambiatori di calore e sistemi di controllo avanzati.

Questi componenti devono lavorare in maniera coordinata e precisa per soddisfare requisiti progettuali come:

• Tempi di rifornimento rapidi: 5 minuti per veicoli passeggeri o 10-15 minuti per camion di grandi dimensioni.
• Regolazione termica: Prevenire che le temperature dell’idrogeno superino i limiti di sicurezza (tipicamente 85°C) per evitare danni ai serbatoi dei veicoli.
• Conformità alla sicurezza: Monitorare flussi e pressioni per prevenire rischi come esplosioni.
• Efficienza energetica: Minimizzare il consumo energetico per compressione e raffreddamento.
• Gestione dei costi: Ridurre CAPEX e OPEX garantendo affidabilità e prestazioni del sistema.

Simcenter Amesim, una piattaforma completa per la simulazione di sistemi, offre le capacità necessarie per progettare, analizzare e ottimizzare le stazioni di rifornimento di idrogeno. Ecco come potenzia i team tecnici:

1. Dimensionamento Ottimale

• Simula e analizza il flusso, la pressione e la temperatura dell’idrogeno in ogni sottosistema.
• Dimensiona con precisione compressori, serbatoi, tubazioni e valvole in base ai requisiti operativi.

2. Modellazione di Gas Reali e Alta Pressione

• Utilizza equazioni di stato avanzate (EoS) per il comportamento dei gas reali ad alte pressioni.
• Prevede gli effetti della rapida compressione dell’idrogeno su temperatura e pressione.

3. Gestione Termica

• Progetta sistemi di raffreddamento efficienti per regolare le temperature dell’idrogeno durante la compressione.
• Dimensiona i componenti per garantire temperature di consegna sicure.

4. Strategie di Controllo

• Sviluppa logiche di controllo per ottimizzare l’operatività del sistema.
• Testa e valida strategie di controllo per ridurre i tempi di rifornimento e il consumo energetico.

5. Messa in Servizio Virtuale – Virtual Commissioning

• Collega le simulazioni a PLC e dispositivi hardware per test di automazione.
• Rileva e risolve potenziali problemi prima del dispiegamento, riducendo i tempi di sviluppo.

Fig. 1: System model

Modellazione della stazione di rifornimento

Fonte di idrogeno

Le stazioni di rifornimento possono produrre idrogeno localmente, ad esempio utilizzando una combinazione di pannelli solari con un elettrolizzatore. Un’alternativa è produrre idrogeno con un sistema di elettrolizzatori più grande per ridurre i costi e poi trasportarlo alla stazione di rifornimento, ad esempio utilizzando un rimorchio a tubi. Considereremo questo ultimo caso nel nostro modello con le seguenti ipotesi:

• Volume del serbatoio del rimorchio per tubi: 5 m³
• Pressione iniziale: 200 bar
• Temperatura iniziale: 20°C

In queste condizioni, la quantità iniziale di idrogeno nel rimorchio per tubi è vicina a 76 kg.

Fig. 2: Tube trailer

Sistema di compressione dell’idrogeno

Per trasferire l’idrogeno dal rimorchio pressurizzato a 200 bar al serbatoio del veicolo con una pressione prevista di 700 bar, il sistema utilizza 2 compressori volumetrici che operano in parallelo con le seguenti ipotesi:

• Spostamento del compressore: 150 cm/rev
• Velocità rotativa del compressore: 120 rpm

Gestione termica

Per mantenere il sistema sicuro, aumentare la quantità di idrogeno immagazzinata nel serbatoio ed evitare alte temperature che potrebbero danneggiare il rivestimento del serbatoio del veicolo, diversi scambiatori di calore sono integrati nel sistema. Nel nostro caso, assumiamo che gli scambiatori di calore siano integrati:

1. All’uscita dei compressori per raffreddare l’idrogeno a 30°C dopo la compressione.
2. A monte del serbatoio del veicolo per fornire idrogeno a una temperatura prossima a -50°C.

Serbatoi tampone di idrogeno

I serbatoi a bassa, media e alta pressione sono integrati nel sistema. Possono essere utilizzati per diversi scopi:

• Velocizzare il rifornimento del serbatoio del veicolo.
• Ridimensionare i compressori o ridurre la loro velocità operativa.
• Ridurre il riscaldamento dell’idrogeno durante le compressioni e quindi ridimensionare i sistemi di raffreddamento.

Le caratteristiche dei serbatoi tampone sono le seguenti:

• Serbatoio a bassa pressione:
  1. Pressione iniziale: 380 bar
  2. Volume: 500 L
• Serbatoio a media pressione:
  1. Pressione iniziale: 580 bar
  2. Volume: 300 L
• Serbatoio ad alta pressione:
  1. Pressione iniziale: 850 bar
  2. Volume: 300 L

Controlli

Le strategie di controllo sono utilizzate per gestire compressori e valvole del sistema. Le strategie si basano su un controllore di stato. Le transizioni di stato sono guidate principalmente dai valori delle pressioni nel rimorchio per tubi, nei serbatoi tampone e nel serbatoio del veicolo.

In sintesi, quando il serbatoio del veicolo è collegato al sistema di rifornimento, le valvole vengono aperte per equilibrare gradualmente la pressione del serbatoio del veicolo con quella del rimorchio per tubi. Successivamente, i compressori possono essere attivati o si possono utilizzare i serbatoi tampone.

Fig. 5: Valves and compressors controls: Amesim block and the associated state control logic

Primo caso: rifornimento del serbatoio del veicolo senza utilizzare i serbatoi tampone

Utilizzando il nostro modello di sistema, possiamo simulare il rifornimento del serbatoio sfruttando l’idrogeno proveniente dal rimorchio per tubi e i due compressori. Durante questo processo, le valvole dei serbatoi tampone rimangono chiuse. La simulazione termina quando la pressione nel serbatoio del veicolo raggiunge quella prevista (700 bar).

Un primo modo interessante per analizzare i risultati della simulazione con Simcenter Amesim è utilizzare la funzione Sketch Animation. Questa funzione consente di visualizzare sullo schema del modello l’evoluzione dinamica delle pressioni o delle temperature durante tutto lo scenario e nelle diverse parti del sistema (Fig. 6 e Fig. 7).

Fig. 6: Sketch Animation of the temperature repartition in the system

Fig. 7: Sketch Animation of the pressure repartition in the system

Fig. 8: Evolution of tank pressure and hydrogen mass in the vehicle tank

La potenza massima assorbita dai due compressori è di circa 17,3 kW, mentre l’energia consumata dai compressori è vicina a 1,1 kWh (Fig. 9).

Fig. 9: Evolution of compressors power and energy consumption

I due scambiatori di calore integrati a valle dei compressori devono essere in grado di estrarre una potenza termica di 6,4 kW, mentre lo scambiatore di calore integrato a monte del serbatoio del veicolo deve essere in grado di estrarre 26 kW (Fig. 10).

Fig.10: Heat flow rate of heat exchangers

Questi risultati sono interessanti: rifornire il nostro FCEV in 8 minuti è già molto più veloce rispetto alla ricarica delle batterie di un BEV. Tuttavia, non è del tutto soddisfacente poiché l’obiettivo è rifornire il serbatoio di un’auto passeggeri in meno di 5 minuti.

Diverse soluzioni possono aiutare a raggiungere questo obiettivo:

• Potremmo, ad esempio, modificare il nostro modello e verificare se un sistema con 4 compressori, ognuno con il proprio scambiatore di calore, possa soddisfare i requisiti. Tuttavia, ciò comporterebbe un sistema più complesso e costoso.
• Il modello può anche essere utilizzato per identificare che aumentando la cilindrata dei compressori a 320 cm/rev si potrebbe rifornire il serbatoio del veicolo in meno di 5 minuti. Tuttavia, sarebbe necessario estrarre più calore dagli scambiatori a valle dei compressori (14 kW), e compressori e scambiatori più grandi sarebbero più costosi e probabilmente più rumorosi.
• Un’altra alternativa piuttosto semplice sarebbe l’uso di serbatoi tampone. È questa l’opzione che considereremo nel secondo scenario.

Secondo caso: rifornimento del serbatoio del veicolo utilizzando i serbatoi tampone

Utilizzando lo stesso modello di sistema del caso precedente, è possibile controllare le valvole per sfruttare i serbatoi tampone.

Quando la pressione del serbatoio del veicolo è vicina a quella del rimorchio per tubi (200 bar), la strategia di controllo attiva l’apertura della valvola collegata al serbatoio tampone a bassa pressione (380 bar). Una volta che la pressione del serbatoio del veicolo è equilibrata con quella di questo serbatoio tampone, la valvola viene chiusa e si passa al serbatoio tampone a media pressione (580 bar). Infine, quando la pressione del serbatoio del veicolo è equilibrata con quella del serbatoio tampone a media pressione, la valvola viene chiusa e si apre quella del serbatoio ad alta pressione (850 bar).

Quando il serbatoio del veicolo è riempito a 700 bar, i compressori vengono utilizzati per ristabilire le pressioni dei serbatoi tampone ai loro livelli iniziali.

Fig.11: Sketch Animation of the temperature repartition in the system

Anche in questo caso, possiamo utilizzare la Sketch Animation per visualizzare, lungo tutto lo scenario, l’evoluzione dinamica delle pressioni o delle temperature nelle diverse parti del sistema (Fig. 11).

Possiamo inoltre identificare che, utilizzando i serbatoi tampone, il sistema è ora in grado di rifornire il serbatoio del veicolo in meno di 5 minuti. L’obiettivo è quindi raggiunto: il FCEV è rifornito in un tempo simile a quello di un veicolo a benzina! Tre minuti aggiuntivi vengono poi utilizzati dal sistema per ricomprimere l’idrogeno nei serbatoi tampone al loro livello di pressione iniziale.

Fig.12: Sketch Animation of the temperature repartition in the system

Tuttavia, possiamo notare che, come svantaggio di questo caso, la compressione richiede ora più potenza (fino a 20 kW) ed energia (1,5 kWh). Questo può essere spiegato principalmente dalla necessità di comprimere l’idrogeno fino a 830 bar nel serbatoio tampone ad alta pressione (Fig. 13).

Fig. 13: Compression power and energy using the buffer tanks

D’altra parte, l’impatto sul dimensionamento del sistema di raffreddamento è quasi nullo, poiché la potenza massima termica che deve essere estratta è piuttosto simile

Fig. 14: Heat flow rate of heat exchangers with buffer tanks

Simcenter Amesim: Il Vantaggio Competitivo

Simcenter Amesim si distingue per la sua capacità di affrontare le sfide uniche della progettazione HRS. I principali vantaggi includono:

• Librerie predefinite: Modelli per componenti a idrogeno, sistemi termici e controlli.
• Simulazione multidominio: Integrazione di sistemi meccanici, elettrici, termici e di controllo.
• Interfaccia intuitiva: Processi di configurazione e validazione semplificati.
• Test rapidi: Simula e confronta vari scenari progettuali in pochi secondi.
• Strumenti di ottimizzazione: Affina le prestazioni del sistema per ridurre i costi e migliorare l’efficienza.

Conclusione

Le stazioni di rifornimento di idrogeno sono fondamentali per l’adozione su larga scala dei veicoli a idrogeno. Con Simcenter Amesim, i team tecnici dispongono di uno strumento potente per progettare sistemi sicuri, efficienti ed economici. Dal dimensionamento dei componenti alla validazione delle strategie di controllo, Amesim semplifica le complessità della progettazione HRS, accelerando lo sviluppo e riducendo i costi.

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