Dottorato in ENERGIA E AMBIENTE

Titolo della tesi: Analisi numerica e sperimentale di una pompa di calore ad assorbimento a gas alimentata con miscele di idrogeno e gas naturale

Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo studio approfondito delle miscele idrogeno e gas naturale (H2NG), analizzando l’impatto del loro utilizzo sulle prestazioni energetico-ambientali in dispositivi commerciali. È plausibile, infatti, nel breve periodo una diffusione su larga scala di miscele H2NG in sostituzione al gas naturale in quanto non richiede alcuna modifica all’attuale sistema di distribuzione del gas ma permette allo stesso tempo di decarbonizzare tale settore. Purtroppo, l'utilizzo dell'idrogeno puro come combustibile comporta ancora alcune criticità, soprattutto a livello di sicurezza mentre l'uso di miscele H2NG costituisce una soluzione efficace e matura. In questo contesto, il lavoro si è focalizzato sull’analisi delle prestazioni energetico-ambientali di una pompa di calore ad assorbimento a gas (GAHP). Questi dispositivi offrono una soluzione ad alta efficienza anche in condizioni in cui gli apparecchi tradizionali non garantiscono livelli di efficienza accettabili. Le GAHP possono produrre acqua calda anche fino a 70°C, mantenendo invariate le prestazioni e questo ne permette l’utilizzo in tutti i sistemi di distribuzione ad alta temperatura, ad oggi ancora molto diffusi. A tal proposito, tali dispositivi andrebbero preferiti in quelle situazioni dove è richiesta un'elevata temperatura dell'acqua di alimentazione, senza penalizzarne l’efficienza. Nel dettaglio, è stato utilizzato un dispositivo commerciale di pompa di calore ad assorbimento, prodotta dalla Robur, come riferimento per costruire un modello di simulazione in ambiente MATLAB-Simulink. Successivamente, i risultati della simulazione sono stati validati dalla campagna sperimentale, testando sul campo e in condizioni operative reali la pompa di calore. Il modello è stato sviluppato implementando i bilanci di massa e di energia per ciascun componente. È in grado di valutare il consumo di combustibile, l'efficienza in termini di GUE, la potenza termica richiesta dalla sorgente a bassa temperatura e la temperatura dell'acqua in uscita dall'evaporatore. La campagna sperimentale per la calibrazione e la validazione del modello è stata condotta durante la stagione invernale. Sono state rilevate le prestazioni della pompa di calore quando fornisce acqua calda a 60°C e 55°C, ed è alimentata con frazioni crescenti di idrogeno, a partire da 0% vol., fino ad arrivare al 25% vol. Il processo di validazione ha permesso di valutare gli errori standard e quelli relativi che influenzano i principali parametri di uscita. Dai risultati emerge che l'errore standard relativo medio, in riferimento a tutte le condizioni di carico, è inferiore al 2.5% per il funzionamento a gas naturale. Al contrario, è compreso tra lo 0.82% e il 4.01% quando si utilizza H2NG. Dal punto di vista ambientale, è stata condotta un’analisi per valutare l’impatto delle miscele H2NG sulla concentrazione dei principali inquinanti, normalizzando le relative emissioni al 3% di O2 così come previsto dalla norma UNI 10389. I principali risultati mostrano una sostanziale riduzione (30%) della concentrazione delle emissioni di CO, passando da un valore di 26.56 ppm (H2 0% vol.) ad un valore di 18.53 ppm (H2 25% vol.). Meno marcata risulta la diminuzione della concentrazione di CO2 (8%) attestandosi al 10.83% al 25% di H2 partendo da una concentrazione dell’11.64% con l’utilizzo di gas naturale. C’è da sottolineare il fatto che l’utilizzo delle miscele H2NG, in dispositivi privi di sistemi di controllo del rapporto aria-combustibile, genera un aumento dell’eccesso d’aria e di conseguenza, nel caso di dispostivi a combustione, un abbassamento della temperatura di fiamma. Tale fenomeno di diluizione tende ad essere preponderante rispetto all’aumento della temperatura di fiamma causato dalla combustione di H2. Dal punto di vista energetico, l’utilizzo delle miscele H2NG in dispositivi privi di un sistema di recupero del calore latente dai fumi di scarico non determina un aumento dell’efficienza. Infatti, la GAHP mantiene pressoché invariata la sua efficienza in termini di GUE (Gas Utilization Efficiency) quando utilizza H2 in miscela. Nel caso in cui le miscele H2NG fossero applicate ad una caldaia a condensazione, il rendimento complessivo migliorerebbe grazie al maggior recupero di calore latente dai fumi. In conclusione, si può affermare che i nuovi dispositivi del futuro dovrebbero essere dotati di sistemi in grado di riconoscere autonomamente la percentuale di H2 contenuta nella miscela in ingresso, in modo da ottimizzare il set-up aria/combustibile. Inoltre, dovrebbero essere sviluppati nuovi layout per i dispositivi non dotati di un’architettura di recupero del calore latente, in modo da sfruttare proficuamente i benefici dell'idrogeno.