Sistema di Elettrolisi: Un Modello Dinamico Semplificato per il Testing del Sistema di Controllo

Abstract

Nel contesto della transizione energetica, la produzione di idrogeno verde tramite elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEM) rappresenta una via cruciale verso la decarbonizzazione del settore industriale. Tuttavia, per garantire un funzionamento sicuro, efficiente e conforme alle specifiche, lo studio e l'ottimizzazione dell'impianto non possono limitarsi al solo stack elettrolitico, ma devono estendersi all'intero insieme dei sistemi ausiliari. Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con Ansaldo Green Tech, azienda dedicata alle tecnologie innovative per la transizione energetica e l'idrogeno verde. La tecnologia AEM analizzata è stata sviluppata da Ansaldo Green Tech nel progetto IPCEI Hy2Tech, finanziato dall'iniziativa NextGenerationEU. L'obiettivo della tesi è sviluppare un modello dinamico semplificato dell'intero impianto di elettrolisi, destinato all'analisi e al test delle strategie di controllo.

Il modello *physics-based* è stato sviluppato in Simulink seguendo un approccio macroscopico a parametri concentrati, permettendo la modellazione delle principali unità operative. In parallelo, è stato implementato un sistema di controllo per regolare variabili di processo critiche quali pressioni, temperature e livelli dei serbatoi.

Per validare l'affidabilità del sistema controllato, sono stati simulati nove scenari operativi. Le simulazioni hanno esplorato il comportamento dinamico dell'impianto durante il normale funzionamento, in condizioni di *off-design* e in vari scenari di guasto.

I risultati dimostrano che la risposta dinamica del modello è coerente e fisicamente accurata in ogni scenario testato. Il punto di forza del lavoro risiede nel bilanciamento tra rigore termodinamico ed efficienza computazionale. Il modello fornisce così uno strumento flessibile, rapido e affidabile, ponendosi come eccellente base di partenza per espandere e testare logiche di controllo industriale avanzate.

In the context of the energy transition, the production of green hydrogen via anion exchange membrane (AEM) electrolyzers represents a crucial pathway toward the decarbonization of the industrial sector. However, to ensure safe, efficient, and specification-compliant operation, the study and optimization of the plant cannot be limited to the electrolyzer stack alone, but must extend to the entire set of auxiliary systems. This work was carried out in collaboration with Ansaldo Green Tech, a company dedicated to the development of innovative technologies for the energy transition and green hydrogen production. The AEM electrolyser technology investigated in this thesis was developed by Ansaldo Green Tech within the framework of the IPCEI Hy2Tech project, which is funded through the NextGenerationEU initiative. The aim of this thesis is to develop a simplified dynamic model of the overall electrolysis plant, intended for testing and analyzing control system strategies.

The physics-based model was developed in the Simulink environment following a macroscopic, lumped-parameter approach. This enabled the modeling of the main operating units. In parallel, a control system was implemented to regulate critical process variables, such as pressures, temperatures and tank liquid levels.

To validate the reliability of the controlled system, nine different operating scenarios were simulated. The simulations explored the dynamic behavior of the plant during normal operation, under off-design conditions, and across various failure scenarios.

The results demonstrate that the dynamic response of the model is consistent and physically accurate in every tested scenario. The main strength of this work lies in its balance between formal thermodynamic rigor and computational efficiency. Ultimately, the model provides a flexible, fast, and reliable tool, serving as an excellent starting point for the expansion and testing of advanced industrial control logic.