Numerical modeling of hydrogen-based technologies for the energy system decarbonisation

L’idrogeno è sempre più riconosciuto come elemento chiave per i futuri sistemi energetici a basse emissioni di carbonio, in particolare quando prodotto tramite elettrolisi alimentata da fonti rinnovabili. Nonostante la vasta letteratura dedicata ai modelli per le singole tecnologie elettrochimiche, mancano ancora framework modellistici trasversali, validati sperimentalmente ed applicabili a più tecnologie. Questa tesi ha l’obiettivo di sviluppare una piattaforma di modellazione unificata per la produzione e l’utilizzo di idrogeno verde, integrando campagne sperimentali, modelli empirici e semi-empirici, ottimizzazione numerica e analisi a livello di sistema per le tecnologie alcalina, PEM, AEM, ossido solido e carbonati fusi. L’obiettivo di questa tesi è progettare, calibrare e validare modelli a bassa complessità ma ad alta accuratezza, adatti ad applicazioni reali. Per i sistemi alcalini, i test effettuati tra 25–40 °C e 4,5 bar hanno permesso di calibrare un modello semi-empirico compatto in grado di descrivere gli effetti combinati di temperatura, pressione e concentrazione dell’elettrolita, ottenendo valori dell’RMSE fino a 0,042 V. Per la tecnologia PEM, il modello di Ulleberg è stato adattato per la prima volta a questi sistemi, producendo una nuova formulazione a 10 parametri con RMSE calcolati tra 0,044–0,058 V, seguito poi da un modello a cinque parametri per le membrane di Nafion in grado di catturare gli effetti simultanei di temperatura, umidità relativa e spessore. Per l’elettrolisi AEM, un modello semi-empirico riparametrizzato con soli cinque coefficienti ha raggiunto un RMSE di 0,03 V e un errore medio dell’1,68%, superando diversi modelli presenti in letteratura. Per le celle reversibili a ossidi solidi, il lavoro fornisce la prima analisi sistematica dell’influenza della concentrazione di vapore al fuel electrode sull’affidabilità del modello, evidenziando i limiti delle misure EIS in condizioni di alta umidità. Per le celle reversibili a carbonati fusi, è stato sviluppato uno dei primi modelli di processo in Aspen HYSYS, in grado di riprodurre il funzionamento reversibile MCFC/MCEC con valori di MAPE compresi tra 0,1–0,5%. Infine, i modelli validati sono stati integrati in una microrete residenziale a idrogeno comprendente impianto fotovoltaico, elettrolizzatore PEM, sistema di accumulo di idrogeno e cella a combustibile PEM. I risultati mostrano l’autosufficienza elettrica annuale, con 7.095 Nm3 di idrogeno prodotti, 6.902 Nm3 consumati e copertura del 22% del fabbisogno termico tramite cogenerazione. Nel complesso, questa tesi fornisce una nuova rete di strumenti modellistici validati sperimentalmente ed efficienti dal punto di vista computazionale, idonei all’integrazione in sistemi digitali e framework di ottimizzazione per la progettazione e il controllo dei sistemi energetici a idrogeno di nuova generazione. ​