Sistema di compressione a idruri metallici per stazioni di rifornimento di idrogeno

The need to reduce greenhouse gas emissions and air pollution has led the European Union to develop a strategy for using hydrogen as energy carrier to drastically reduce the use of fossil fuels. The objective is to cover with hydrogen about 13% of total energy demand by 2050. In this regard, in the transport sector, both heavy and light, in order to promote the use of hydrogen-powered fuel cells (H2-PEM-FC), the European Union has commissioned the construction of at least 300 hydrogen refuelling stations (HRS) by 2025. However, one crucial step in the so-called Hydrogen Value Chain is the storage, as under standard conditions, hydrogen has a low energy density in volumetric terms, when compared for example to gasoline or diesel. One of the most common strategy is storing it as compressed gas using mechanical compressors, which however have many disadvantages: high energy consumption, low efficiency and frequent maintenance. An alternative method of compression is through metal hydride compressors (MHCs), which base their operation on the reversible interaction of appropriate metal alloys with hydrogen. MHCs have the following advantages: simple design, low energy consumption and the absence of moving parts, since the compression takes place exploiting thermal energy and not mechanical energy. In this paper are presented the results related to the cycling and process optimization of a two-stage MHC compressor, built as part of the Piedmont regional project Clean Dronhy. H2 is compressed using two commercial alloys: La0.9Ce0.1Ni5 and Hydralloy C5®, respectively in the first and second stage, from 30 bar to 150 bar, working between room temperature (20 °C) and 130 °C. The objective is to evaluate possible losses in performance during MHC operation, correlating them to possible microstructural and compositional changes of the alloys. In this regard, the latter have been characterized post-cycling by means of hydrogen absorption measurements, powder X-ray diffraction (PXD) and scanning electron microscopy (SEM-EDX), comparing the results of the same analysed before the cycling in the plant. In parallel, the techno-economic aspect of MHCs as compressor units within HRSs based on renewable sources has been investigated, in order to identify the economic impact of the different components of the station and of the MHC itself, through the case study related to the Greek H2TRANS project deepened thanks to a period of Erasmus+ for Traineeship at "NCSR Demokritos", Athens, Greece. Finally, based on the analysis of the post-cycling alloys and the techno-economic study, a scale-up of the Clean Dronhy MHC has been hypothesized, as a compression unit of a scooter refueling station.

La necessità di ridurre le emissioni di gas serra e l’inquinamento atmosferico ha indotto l’Unione Europea a sviluppare una strategia sull’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico in modo da ridurre drasticamente lo sfruttamento di combustibili fossili. L’obiettivo è coprire con l’idrogeno circa il 13% della domanda energetica totale entro il 2050. A tal proposito, nel settore dei trasporti, sia pesanti che leggeri, al fine di favorire l’uso delle celle a combustibili alimentati ad idrogeno (H2-PEM-FC), l’Unione Europea ha commissionato la costruzione di almeno 300 stazioni di rifornimento di idrogeno (HRS) entro il 2025. Tuttavia, uno dei passaggi cruciali della così detta Hydrogen Value Chain è lo stoccaggio, in quanto in condizioni standard, l’idrogeno presenta una bassa densità energetica in termini volumetrici, se comparato per esempio alla benzina o al diesel. Una delle strategie più comuni è quella di stoccarlo sottoforma di gas compresso mediante compressori meccanici, i quali però presentano numerosi svantaggi: elevato consumo energetico, bassa efficienza e frequenti manutenzioni. Un metodo alternativo di compressione è attraverso l’utilizzo di compressori a idruri metallici (MHCs), i quali basano il loro funzionamento sull’interazione reversibile di opportune leghe metalliche con l’idrogeno. Gli MHCs hanno il vantaggio di presentare un design semplice, di avere un basso consumo energetico e l’assenza di parti mobili, in quanto la compressione avviene sfruttando l’energia termica e non quella meccanica. In questo lavoro si presentano i risultati relativi al ciclaggio e all’ottimizzazione del processo di un compressore MHC a due stadi, costruito nell’ambito del progetto regionale piemontese Clean Dronhy. H2 è compresso grazie a due leghe commerciali: La0.9Ce0.1Ni5 e Hydralloy C5®, rispettivamente nel primo e nel secondo stadio, da 30 bar a 150 bar, lavorando tra temperatura ambiente (20 °C) e 130 °C. L’obiettivo è di valutare eventuali perdite in performance durante il funzionamento del MHC, correlandole a possibili cambiamenti microstrutturali e composizionali delle leghe. A tal proposito, quest’ultime sono state caratterizzate post-ciclaggio mediante misure di assorbimento di idrogeno, diffrazione raggi X di polveri (PXD) e microscopia elettronica in scansione (SEM-EDX), comparando i risultati delle stesse analizzate prima dell’impiego in impianto. Parallelamente, si è approfondito l’aspetto tecno-economico degli MHCs come unità di compressione all’interno delle HRS basate su fonti rinnovabili, al fine di individuare l’impatto economico dei diversi componenti della stazione e del MHC stesso, attraverso il caso studio relativo al progetto greco H2TRANS approfondito grazie ad un periodo di Erasmus+ for Traineeship presso il centro di ricerca “NCSR Demokritos” di Atene, Grecia. Infine, sulla base dell’analisi delle leghe post-ciclaggio e dallo studio tecno-economico si è ipotizzato uno scale-up del MHC Clean Dronhy, come unità di compressione di una stazione di rifornimento per scooter.