Effective solutions are needed to reduce emissions and contribute to solving the climate crisis. One efficient proposal involves using hydrogen as an energy carrier, which can be sustainably produced, stored, and transported, to be used in fuel cells to produce electricity. However, these technologies face challenges in hydrogen storage and distribution due to its low energy density per volume and the risk of leaks during storage and transport. This work presents various storage technologies, including solid-state, liquid, and gaseous storage, as well as liquid organic hydrogen carriers (LOHCs). In gaseous-phase storage, hydrogen is typically compressed between 200 and 1000 bar, with five tank categories introduced based on the material used: type I, II, III, IV, and V tanks. The choice of tank’s material is crucial due to issues such as permeability, embrittlement, and resistance. Because of its small molecular size, hydrogen tends to diffuse through materials. Tanks with metallic coatings (type I, II, III) have low permeability rates, but may experience losses over time without compromising safety. On the other hand, type IV tanks, because of their polymer coatings, evidence higher permeability rates. Examples of solutions to reduce and prevent hydrogen embrittlement are protective coatings in niobium, graphene, or cadmium (for steels). In addition to material selection and analysis, the cost of different tank categories has been compared. Type I tanks, although the heaviest, are the most economical and thus most suitable for stationary use. While, type III and IV tanks, even if more expensive, are lighter and useful for fuel cell electric vehicles (FCEVs). Type V tanks represent a promising innovation, reducing weight by 15-20% compared to type IV tanks, and potentially offering lower manufacturing costs when scaled-up. Considering hydrogen logistic and distribution the required quantity and geographical location need to be considered. For regions with low hydrogen demand, high-pressure tank trucks are a convenient choice. Type I tanks are used for transporting up to 250 kg of H2, while type III and IV tanks are preferred for transporting larger quantities (up to 1000 kg). Technological advancements and process improvements are crucial to make hydrogen a competitive energy source. Thanks to these advancements, we could aspire to an efficient and more sustainable future.
È di vitale importanza affrontare immediatamente il problema delle emissioni al fine di attenuare la crisi climatica. È necessario cercare soluzioni efficaci per ridurle e contribuire così a risolvere questa emergenza. Una proposta efficiente consiste nell'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico, il quale può essere prodotto, stoccato e trasportato in modo sostenibile, sfruttandolo all'interno delle celle a combustibile. Tuttavia, questa tecnologia è ostacolata dalle difficoltà tecnologiche di stoccaggio e distribuzione dell'idrogeno, dovute alla sua bassa densità energetica per volume e alla possibilità di perdite durante l'immagazzinamento e il trasporto. In questo elaborato, vengono presentate diverse tecnologie di stoccaggio, tra cui lo stoccaggio allo stato solido, liquido, gassoso e tramite vettori organici liquidi (LOHC). Per quanto riguarda lo stoccaggio in fase gassosa, l'idrogeno viene solitamente compresso tra i 200 e i 1000 bar e sono state introdotte cinque diverse categorie di serbatoi, che si distinguono per il materiale impiegato: tank di tipo I, II, III, IV e V. La scelta del materiale del serbatoio è cruciale poiché ne derivano criticità in termini di permeabilità, infragilimento e resistenza. L'idrogeno, date le sue ridotte dimensioni molecolari, tende a diffondere attraverso i materiali. I serbatoi con rivestimento metallico (tipo I, II, III) presentano un basso tasso di permeabilità, ma nel corso degli anni potrebbero comunque manifestare perdite, nonostante ciò, la sicurezza non diminuisce. D’altra parte, è importante prestare particolare attenzione ai serbatoi di tipo IV con rivestimento polimerico poiché il loro tasso di permeabilità è significativamente alto. Per evitare l'infragilimento da idrogeno, alcune soluzioni includono rivestimenti protettivi in niobio, grafene o cadmio (per gli acciai). Oltre all'analisi e selezione del materiale, è stato comparato il costo delle diverse categorie di serbatoi, concludendo che i tank di tipo I risultano essere i più pesanti ma anche i più economici, e quindi i più indicati per un impiego stazionario. Al contrario, i tank di tipo III e IV sono più costosi ma leggeri, risultando utili per veicoli elettrici a celle combustibili (FCEVs). Il tank di tipo V rappresenta una novità tecnologica molto promettente, in quanto riduce il peso del 15-20% rispetto al serbatoio di tipo IV e avrebbe un costo minore se prodotto in vasta scala. La logistica ed il trasporto dell’idrogeno è legato alla richiesta e localizzazione geografica. Per le regioni con una bassa richiesta di idrogeno, l'utilizzo dei carri bombolai, ovvero camion dotati di serbatoi ad alta pressione, risulta essere la scelta più conveniente. Le tecnologie impiegate dipendono dalle esigenze del trasporto: per trasportare 250 kg di H2, si utilizzano i serbatoi di tipo I, mentre per quantità fino a 1000 kg di H2 si preferiscono i serbatoi di tipo III e IV. L'avanzamento della tecnologia e il miglioramento dei processi sono essenziali per rendere l'idrogeno una fonte energetica competitiva. Grazie a questi progressi, potremmo aspirare a un futuro energetico più ecocompatibile, efficiente e sostenibile.
Idrogeno: materiali, soluzioni di trasporto e distribuzione per uno sviluppo sostenibile
SBAA, OMAR
2022/2023
Abstract
È di vitale importanza affrontare immediatamente il problema delle emissioni al fine di attenuare la crisi climatica. È necessario cercare soluzioni efficaci per ridurle e contribuire così a risolvere questa emergenza. Una proposta efficiente consiste nell'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico, il quale può essere prodotto, stoccato e trasportato in modo sostenibile, sfruttandolo all'interno delle celle a combustibile. Tuttavia, questa tecnologia è ostacolata dalle difficoltà tecnologiche di stoccaggio e distribuzione dell'idrogeno, dovute alla sua bassa densità energetica per volume e alla possibilità di perdite durante l'immagazzinamento e il trasporto. In questo elaborato, vengono presentate diverse tecnologie di stoccaggio, tra cui lo stoccaggio allo stato solido, liquido, gassoso e tramite vettori organici liquidi (LOHC). Per quanto riguarda lo stoccaggio in fase gassosa, l'idrogeno viene solitamente compresso tra i 200 e i 1000 bar e sono state introdotte cinque diverse categorie di serbatoi, che si distinguono per il materiale impiegato: tank di tipo I, II, III, IV e V. La scelta del materiale del serbatoio è cruciale poiché ne derivano criticità in termini di permeabilità, infragilimento e resistenza. L'idrogeno, date le sue ridotte dimensioni molecolari, tende a diffondere attraverso i materiali. I serbatoi con rivestimento metallico (tipo I, II, III) presentano un basso tasso di permeabilità, ma nel corso degli anni potrebbero comunque manifestare perdite, nonostante ciò, la sicurezza non diminuisce. D’altra parte, è importante prestare particolare attenzione ai serbatoi di tipo IV con rivestimento polimerico poiché il loro tasso di permeabilità è significativamente alto. Per evitare l'infragilimento da idrogeno, alcune soluzioni includono rivestimenti protettivi in niobio, grafene o cadmio (per gli acciai). Oltre all'analisi e selezione del materiale, è stato comparato il costo delle diverse categorie di serbatoi, concludendo che i tank di tipo I risultano essere i più pesanti ma anche i più economici, e quindi i più indicati per un impiego stazionario. Al contrario, i tank di tipo III e IV sono più costosi ma leggeri, risultando utili per veicoli elettrici a celle combustibili (FCEVs). Il tank di tipo V rappresenta una novità tecnologica molto promettente, in quanto riduce il peso del 15-20% rispetto al serbatoio di tipo IV e avrebbe un costo minore se prodotto in vasta scala. La logistica ed il trasporto dell’idrogeno è legato alla richiesta e localizzazione geografica. Per le regioni con una bassa richiesta di idrogeno, l'utilizzo dei carri bombolai, ovvero camion dotati di serbatoi ad alta pressione, risulta essere la scelta più conveniente. Le tecnologie impiegate dipendono dalle esigenze del trasporto: per trasportare 250 kg di H2, si utilizzano i serbatoi di tipo I, mentre per quantità fino a 1000 kg di H2 si preferiscono i serbatoi di tipo III e IV. L'avanzamento della tecnologia e il miglioramento dei processi sono essenziali per rendere l'idrogeno una fonte energetica competitiva. Grazie a questi progressi, potremmo aspirare a un futuro energetico più ecocompatibile, efficiente e sostenibile.I documenti in UNITESI sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/20.500.14240/105768