Generazione di potenza in ambiente sottomarino mediante cicli termodinamici basati sulla reazione Al + H2O

Stimulated by the desire to transfer, from the surface to the oceanic depths, the energy plants at the service of offshore hydrocarbon fields, this thesis wants to deepen the theme of submarine power production. The research methodology starts with the development of a preliminary screening of the possible technologies, made possible by a careful study of the literature on this regard. This analytic comparison is based on the indicators of mass, volume and cost of the reactants to be supplied to the system, and it outlines as interesting the plant possibility exploiting the combustion reaction between aluminium nanopowders and seawater already available on site. Inspired by the important theoretical contributions provided by some already existing research, we identify two alternative system configurations, defined as “internal combustion” and “external combustion”. Following their modelling and optimization, checks are also carried out on the availability of cogeneration contributions, on the feasibility of the most important turbomachinery and on the results obtainable with the integration of a fuel cell supplied with an oxidizer external to the system. The conclusions of this study lead to identify as the most favourable configuration, both from the point of view of efficiency and of the required components, the external combustion one. This includes a suitable CO2 power cycle and is characterized by an electrical efficiency of 28.46 %. Based on 1 MWhel, the relative dimensions and costs of the necessary reactants are provided, and we indicate both the possible improvement technologies, aimed at recovering the chemical potential of the produced hydrogen, and all the future studies indispensable to further cultivate the research on this innovative energy possibility.

Stimolata dal desiderio di trasferire, dalla superficie alle profondità oceaniche, gli impianti energetici al servizio dei giacimenti idrocarburici offshore, questa tesi vuole approfondire la tematica della generazione di potenza sottomarina. La metodologia di ricerca prende avvio con lo sviluppo di uno screening preliminare delle possibili tecnologie, reso possibile da un attento studio della letteratura a riguardo. Questo confronto analitico è basato sugli indicatori relativi a massa, volume e costo dei reagenti da fornire al sistema, e va a delineare come interessante la possibilità impiantistica sfruttante la reazione di combustione fra nanopolveri di alluminio e l’acqua marina già disponibile in loco. Prendendo spunto dagli importanti contributi teorici forniti da alcune ricerche già esistenti, si individuano due configurazioni di sistema alternative, definite “a combustione interna” e “a combustione esterna”. A seguito della loro modellazione e ottimizzazione, si procede a verifiche aggiuntive sulla disponibilità di contributi cogenerativi, sulla fattibilità delle turbomacchine più importanti e sui risultati ottenibili con l’integrazione di una fuel cell alimentata con un ossidante esterno al sistema. Le conclusioni di questo elaborato portano a individuare come configurazione impiantistica più favorevole, sia dal punto di vista dell’efficienza che dei componenti richiesti, quella a combustione esterna, la quale comprende un adeguato ciclo di potenza a CO2 ed è caratterizzata da un rendimento elettrico del 28.46 %. Si forniscono, sulla base di 1 MWhel, gli ingombri e i costi dei reagenti necessari, e si indicano sia le possibili tecnologie migliorative, volte a recuperare il potenziale chimico dell’idrogeno prodotto, sia tutti quegli studi futuri indispensabili per coltivare ulteriormente la ricerca su questa innovativa possibilità energetica.