Introduzione
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L’idrogeno è considerato un promettente e potenziale vettore energetico per il futuro, la soluzione ideale nel periodo medio lungo per risolvere i problemi ambientali, molto discussi al giorno d’oggi, a causa della sua combustione “pulita” ossia senza produzione di
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CO .
Tuttavia, l’idrogeno non esiste in natura allo stato libero, e deve essere prodotto da fonti energetiche primarie, come carbone, gas naturale, biomasse, rifiuti, energia solare, eolica o nucleare.
Nonostante gli indiscutibili vantaggi che si possono ottenere impiegando l’idrogeno come vettore energetico, esistono molte problematiche da risolvere riguardanti l’intero ciclo di vita del prodotto, in particolar modo le fasi relative alla produzione, al trasporto, allo stoccaggio e all’utilizzo.
Benché produzione, stoccaggio e distribuzione di idrogeno siano attualmente utilizzate nel settore chimico e petrolchimico, tali tecnologie sono ancora troppo costose per un vasto impiego nel settore energetico.
Inoltre, le politiche economiche attuali non promuovono approcci che considerano anche i risparmi attuabili dal punto di vista ambientale.
Bisogna considerare però che nei sistemi di combustione, oltre agli ossidi di carbonio, si cercano di limitare le emissioni di ossidi di azoto, ritenuti da sempre tra i maggiori inquinanti atmosferici e generati nell’ossidazione di combustibili, come gas naturale e idrogeno, a seguito principalmente della reazione ad alta temperatura tra l’azoto presente nell’aria comburente e l’ossigeno (thermal mechanism).
Gli ossidi di azoto sono considerati composti inquinanti, per due motivi fondamentali. Sono in primo luogo regolatori della concentrazione di ozono nell’atmosfera.
In particolare, nelle zone ricche di NO della troposfera, l’ossigeno dell’aria viene x ossidato per via fotochimica ad ozono dall’ NO . Negli strati più bassi, l’ozono è altamente indesiderabile, essendo uno dei principali componenti dello “smog fotochimico” ed uno degli ossidanti più aggressivi. Nella stratosfera invece, l’ozono generato per via naturale
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2 dalla fotolisi dell’ossigeno, viene distrutto in presenza di piccole concentrazioni di NOx con ripercussioni sulle capacità filtranti dei raggi ultravioletti.
Gli ossidi di azoto, hanno inoltre un’azione dannosa per gli essere viventi. In particolare hanno effetti negativi sul sistema respiratorio dell’uomo, la cui gravità dipende dalle concentrazioni e dal tempo di esposizione. Gli ossidi di azoto sono poco solubili in acqua, ma reagiscono con essa per dare acido nitrico o nitroso. Questo, è ciò che succede nel sistema respiratorio, con conseguenze che vanno da congestione della gola e dei bronchi ad edema polmonare.
Nel corso degli ultimi anni, sono stati registrati grandi progressi nello sviluppo di sistemi di combustione in grado di limitare le emissioni di NOx. L’impiego delle marmitte
catalitiche è ormai obbligatorio in molti paesi, e numerose aziende produttrici di sistemi di combustione hanno sviluppato bruciatori a bassa emissione di azoto (low-NOx burner e
ultra-low-NOx burner).
Altro aspetto dominante nel campo della combustione, è costituito dal miglioramento delle prestazioni energetiche. Questo obiettivo viene generalmente ottenuto con sistemi rigenerativi, che permettono di recuperare l’energia contenuta nei gas esausti, realizzando un preriscaldamento dell’aria comburente. Tuttavia, ciò determina un innalzamento dei livelli di temperatura nel sistema e favorisce pertanto, la formazione dell’ossido di azoto secondo il meccanismo termico.
L’impegno profuso al fine di superare la contraddizione tra risparmio energetico ed emissioni di NO , è solo uno dei motivi che ha suggerito nel campo della ricerca, di utilizzare strumenti predittivi e versatili come gli attuali codici di fluidodinamica computazionale, che consentono l’analisi numerica di sistemi di interesse industriale. Il lavoro di tale Tesi di Laurea si è concentrato proprio sulla combustione dell’idrogeno in macchine turbogas di media taglia, allo scopo di individuare la formazione di NOx, uno
studio che si colloca nell’ambito di sistemi innovativi che utilizzano idrogeno per la generazione distribuita di energia elettrica e termica.
Nella prima parte del lavoro è stata condotta un’analisi di letteratura sulla fluidodinamica computazionale (CFD) per conoscerne i fondamenti e i diversi approcci possibili nella modellazione di sistemi reattivi. Successivamente sono state fatte una serie di simulazioni termofluidodinamiche su di un combustore di tipo tradizionale, inizialmente attraverso un
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3 codice di calcolo disponibile presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienza dei Materiali (CFX-5.7). In una seconda fase, è invece stato impiegato il codice commerciale FLUENT 6.2 grazie alla disponibilità di Enel Area Tecnica Ricerca di Pisa. E’ stato scelto come oggetto di studio il combustore del turbogas GE MS5001, ben caratterizzato dal punto di vista sperimentale per i dati forniti dalle prove eseguite a freddo presso l’apparato sperimentale CAUX-F del laboratorio di Livorno, e dalle prove a caldo realizzate utilizzando una cella sperimentale del laboratorio di Sesta. Lo scopo delle prove numeriche è stato quello di analizzare le prestazioni in termini di emissioni inquinanti del combustore progettato per la combustione del metano, nel caso sia utilizzato come combustibile idrogeno. Le simulazioni con il codice CFX-5.7, sono state effettuate utilizzando parametri e modelli adottati nei test numerici eseguiti in passato con FLUENT 6.2 da Enel ma con una diversa proposta per la modellazione della combustione, in modo da avere un buon accordo con i valori dati dalla pratica sperimentale e un confronto tra risultati ottenuti da differenti codici. Il riscontro con le misure sperimentali, ha permesso di giudicare l’idoneità della fluidodinamica computazionale alla modellazione di combustori alimentati ad idrogeno. La discrepanza sul valore degli ossidi di azoto predetto all’uscita del combustore si è rivelata però significativa.
L’ultima fase del presente lavoro di Tesi ha considerato allora un differente approccio nella modellazione del sistema reattivo con l’utilizzo di uno schema cinetico dettagliato per la combustione dell’idrogeno.
La simulazione è stata eseguita su combustore acceso a pressione nominale con codice FLUENT 6.2. I modelli selezionati sono quelli già utilizzati con codice CFX-5.7, ma è stata implementata una cinetica con schema multi-step per una miglior predizione del campo di temperatura e della distribuzione delle specie radicaliche, con l’obiettivo di ridurre la differenza sul valore degli NOx predetti rispetto al dato sperimentale.
