Simulazione di un elettrolizzatore a membrana a scambio anionico per la produzione di idrogeno verde: analisi in condizioni stazionarie e dinamiche tramite DWSIM

Abstract

L’idrogeno rappresenta un vettore energetico strategico per la decarbonizzazione e la sicurezza energetica, oltre a costituire un’importante opportunità di sviluppo per il tessuto industriale italiano. Tuttavia, la crescita del settore richiede investimenti significativi e un orientamento tecnologico mirato per rispondere alla domanda emergente. In questo contesto, il presente lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con ABB nell’ambito della borsa di studio “Ing. G. B. Ferrari”. L’attività ha riguardato lo studio, la modellizzazione e l’ottimizzazione di un impianto per la produzione di idrogeno verde. Il processo, che converte l’acqua in idrogeno e ossigeno mediante corrente continua, si basa su tre componenti principali: il trasformatore di alimentazione, il convertitore AC/DC e l’elettrolizzatore. La tesi si focalizza su quest’ultimo analizzando il funzionamento di celle elettrolitiche a membrane a scambio anionico e l’integrazione nel sistema, con l’obiettivo di garantire un prodotto conforme ai requisiti richiesti in ambito industriale: idrogeno con purezza superiore al 99%, a 25 °C e 200 bar. Inizialmente si è sviluppato un modello stazionario in DWSIM (un software open source per la simulazione di processo) finalizzato alla descrizione del funzionamento dell’elettrolizzatore e del relativo balance of plant. Quest’ultimo comprendente le apparecchiature ausiliarie necessarie al corretto funzionamento dell’impianto tra cui a monte l’unità di osmosi per la purificazione dell’acqua di mare, le pompa, gli scambiatori di calore, i flash, e l’unità di ricircolo per garantire le condizioni di lavoro dello stack, a valle la sequenza di compressori per lo stoccaggio in pressione dell’idrogeno prodotto. Successivamente, si è sviluppata una simulazione in condizioni dinamiche volta a una valutazione preliminare del comportamento dell’unità di elettrolisi al variare della potenza elettrica proveniente da fonti rinnovabili, analizzando la risposta del sistema.

Hydrogen is a strategic energy carrier for decarbonisation and energy security, as well as representing an important development opportunity for Italian industry. However, growth in the sector requires significant investment and a targeted technological focus to meet an emerging demand. In this context, the thesis was carried out in collaboration with ABB as part of the “Ing. G. B. Ferrari” scholarship. The work involved the study, modelling and optimisation of a plant to produce green hydrogen. The process, which converts water into hydrogen and oxygen using direct current, is based on three main components: the power transformer, the AC/DC converter and the electrolyser. The thesis focuses on the latter, analysing the operation of anion exchange membrane electrolysis cells and their integration, with the aim of ensuring a product that meets industrial requirements: hydrogen with a purity of over 99% at 25 °C and 200 bar. Initially, a stationary model was developed in DWSIM (open-source process simulation software) to describe the electrolyser operation and its balance of plant. The latter includes the auxiliary equipment necessary for the proper functioning of the plant, including upstream the osmosis unit for purifying seawater, pumps, heat exchangers, flashes, and the recirculation unit to ensure the stack working conditions, and downstream the compressor train for the pressurised hydrogen storage. Subsequently, a simulation under dynamic conditions was developed to perform a preliminary assessment of the behaviour of the electrolysis unit as the electrical power from renewables varies, analysing the system response.