L’aumento della produzione di energie rinnovabili ha stimolato l’interesse nell’elettrolisi dell’acqua con membrana a scambio protonico come soluzione praticabile per generare idrogeno per l’accumulo di energia. Per ottimizzare e perfezionare le celle con membrana a scambio protonico (PEM) è stato varato in Spagna un progetto nazionale denominato ENHIGMA che utilizza ANSYS Fluent per simulare i campi di flusso in queste celle. I risultati delle simulazioni saranno fondamentali per realizzare gli elettrolizzatori PEM del futuro, più economici, durevoli ed efficienti. Ecco il racconto dello use case da parte di Amores Vera, Research and Development Engineer, del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) Ciudad Real.
Ernesto Amores Vera, Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) Ciudad Real, Spagna
Per risolvere il problema dell’intermittenza delle fonti di energia rinnovabile occorrono nuovi metodi per immagazzinare l’energia. Molte fonti di energia rinnovabile (RES), come il solare o l’eolico, non producono infatti energia continuativamente e in modo costante. Sono quindi indispensabili nuovi sistemi per l’immagazzinamento dell’energia, sia per superare il limite dell’intermittenza della produzione delle rinnovabili sia per integrare questa energia nella distribuzione. La capacità di immagazzinamento delle batterie è in genere limitata a ore, al massimo pochi giorni.
L’idrogeno è un “vettore” di energia che può essere immagazzinato per periodi indefiniti. Può essere prodotto dall’elettricità generata dalle RES e, una volta immagazzinato, trasportato e distribuito, ad esempio nelle stazioni di rifornimento nel settore della mobilità. Può anche essere riconvertito a elettricità con una cella a combustibile per alimentare i veicoli elettrici o le abitazioni, oppure per essere immesso nel sistema di distribuzione. L’elettrolisi dell’acqua è uno dei metodi di produzione di idrogeno più sostenibili dal punto di vista ambientale: nel processo elettrochimico l’elettricità viene impiegata per scomporre l’acqua in ossigeno e idrogeno. Quando l’elettricità proviene da fonti rinnovabili, si tratta di un processo a emissioni zero.
Tra i vari processi elettrolitici, l’elettrolisi dell’acqua con membrane a scambio protonico (PEMWE) si è imposta come una delle più importanti. I sistemi PEMWE possono lavorare ad alte intensità di corrente (2.000 mA/cm2) producendo idrogeno di elevata purezza e ad alta pressione. Per quanto esistano elettrolizzatori PEM di grosse dimensioni, diversi problemi, come l’alto costo e la durata, e ne ostacolano l’adozione su larga scala. Il Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) della Spagna è impegnato nelle ricerche su tecnologie futuribili come l’idrogeno e le celle a combustibile. CNH2 è il coordinatore tecnico del progetto ENHIGMA (2016-2019) e, con la collaborazione di altri centri di ricerca e aziende, sta studiando metodi per sviluppare un elettrolizzatore PEM a basso costo, di lunga durata ed energeticamente efficiente.
I componenti base del progetto
Le piastre bipolari sono uno dei componenti più importanti di un PEMWE. Garantendo la solidità strutturale, queste piastre metalliche separano i vari insiemi di elettrodi e membrana (MEA) in una pila PEMWE. Esse presentano canali di flusso che distribuiscono l’acqua all’interno della cella e portano all’esterno i gas generati (H2/O2). Sono inoltre essenziali perché ci sia una sufficiente conduzione elettrica ai punti di reazione e per la dissipazione del calore.
Le piastre bipolari rappresentano circa il 50% del costo di un PEMWE in ragione dei costi dei materiali e dei metodi di produzione usati: il miglioramento dei PEMWE comporta quindi l’ottimizzazione di questo componente. La simulazione di fluidodinamica computazionale è fondamentale per ottenere informazioni sulla distribuzione dei flussi nelle piastre bipolari. Il team di ricerca ENHIGMA ha utilizzato ANSYS Meshing e poi ANSYS Fluent per risolvere le complesse simulazioni fluidodinamiche. Grazie alla licenza HPC (ANSYS high performance computing), il team di ricerca di DNH2 ha potuto suddividere i vari calcoli tra gli otto core che ha in casa per l’elaborazione parallela per risolvere le simulazioni CFD in modo rapido ed economico.
Lo sviluppo del modello
Per il flusso dell’acqua all’interno della cella PEMWE è possibile adottare diverse configurazioni dei campi di flusso, ma la geometria a canali paralleli è spesso considerata la migliore ai fini della distribuzione dei flussi grazie alla sua semplicità. Il team di progetto ha scelto di modellare questa configurazione nelle simulazioni. Per semplificare i modelli il team ha analizzato la distribuzione del flusso solo nella camera catodica usando il modello PEMWE in ANSYS Fluent. Fluent dispone anche di altri modelli di cella a combustibile, comprese quelle per PEM e celle a combustibile a ossido solido (SOFC).
Il primo passo è stato effettuare uno studio di impedenza del mesh in ANSYS Meshing per determinare il numero di nodi ottimale per la simulazione. Per determinare la migliore discretizzazione sono stati valutati sette mesh e il numero ottimale è risultato essere di 1.901.570 nodi. ANSYS Meshing ha permesso ai ricercatori di unire geometrie complesse così da poter creare mesh adatti per diverse zone dello stesso modello. Ad esempio è stato usato un mesh esaedrico per i canali e un mesh tetraedrico per l’entrata/uscita della piastra.
Simulazione del campo di flusso
Il team ha utilizzato il software ANSYS Fluent per simulare il campo di flusso nei modelli d’interesse. Per prevedere il flusso d’acqua all’ingresso della cella e nella distribuzione attraverso i canali, Fluent ha risolto equazioni per la conservazione del momento, della continuità e dell’energia. Usando la legge di Faraday dell’elettrolisi il team ha quindi calcolato il tasso di generazione di idrogeno al fluire dell’idrogeno dal MEA ai canali quando tra gli elettrodi viene applicata una differenza di potenziale (equazione ausiliaria).
Questa equazione viene introdotta nel modello come condizione al contorno (densità di corrente vs. flusso di idrogeno). Quindi, con il passaggio dell’acqua e dell’idrogeno generato nei canali della cella, era necessario calcolare il flusso multifase. In un PEMWE vi sono una fase principale (acqua) e una fase secondaria (piccole bolle di idrogeno) dispersa nella fase principale. Il calcolo di un flusso multifase è complesso dato che in una miscela liquido-gas avvengono diversi fenomeni contemporaneamente. Anziché usare un modello multifase euleriano completo, il team ha creato in ANSYS Fluent un modello misto. Si tratta di un modello più semplice con le stesse performance di un modello multifase ma che richiede un minor numero di variabili. Applicazioni tipiche sono quelle per determinare il flusso delle bolle quando la frazione del volume di gas rimane bassa. Grazie a questo modello misto è stata ottenuta l’equazione per le fasi liquide e gassose.
Miglioramento dei design
Completata la simulazione il team di ricerca è passato all’analisi dei risultati. Osservando la frazione di idrogeno nella cella elettrolitica a diverse velocità di flusso, i risultati hanno indicato che quando il flusso dell’acqua aumenta da 25 a 100 ml/min per una data densità di corrente, la distribuzione del flusso in alcuni canali non era adeguata. Lo stesso accadeva con i risultati per la densità della miscela, in cui i canali risultavano bloccati a livelli crescenti all’aumentare della densità di corrente.
I risultati hanno rivelato che quando la densità di corrente passa da 500 a 2.000 mA/cm2 per una data velocità di flusso, l’idrogeno prodotto, avendo una velocità di flusso relativamente minore, tende a riempire i canali bloccando il passaggio dell’acqua negli stessi. Sebbene una configurazione parallela dei canali nella piastra sia spesso considerata la migliore per i campi di flusso, i risultati della simulazione in ANSYS Fluent indicano che non è così. Esistono significativi punti di debolezza nel disegno proposto, specialmente con alte correnti e alte velocità di flusso, che causano hot spot riducendo l’efficienza del processo. Doveva quindi essere proposta una nuova configurazione della distribuzione del flusso.
Il contributo a un futuro a idrogeno
L’obiettivo del progetto ENHIGMA è di ottenere risultati che possano aumentare la fattibilità commerciale degli elettrolizzatori PEM. A questo scopo è fondamentale l’ottimizzazione di una componente chiave, la piastra bipolare. Attraverso varie simulazioni di fluidodinamica computazionale in ASNYS Fluent, il team di ricerca ha ottenuto significativi risultati sul comportamento del campo di flusso nell’elettrolisi dell’acqua nelle celle con membrana a scambio protonico. I risultati contribuiranno alla realizzazione di elettrolizzatori PEM con migliori prestazioni, maggior durata, costo minore e più efficienti energeticamente.
