Hydrogen refueling stations : thermodynamic modeling and operational performance analysis from the 3Emotion project

Among the participants of the global energy transition, hydrogen is certainly one of the protagonists that could offer in multiple sectors viable solutions. Undoubtedly, it would have a significant role in decarbonizing road vehicle transportation that cannot be reached unless an adequate hydrogen infrastructure is put in place. The aim of this work is to develop a thermodynamic model that assesses the operational performances of Hydrogen Refueling Stations (HRSs). In particular, their application for the refueling of fuel cell buses (350 bar) has been investigated. The model, implemented in MATLAB, simulates a tank-to-tank refueling where the pressure difference between a high-pressure tank, in which the hydrogen is stored, and a tank at lower pressure drives the process. Due to the increase in the gas temperature during the refueling, the Society of Automotive Engineers has developed a protocol, denoted SAE TIR J2601/2, that establishes the performance requirements for the stations to ensure that unsafe conditions are not reached. However, although the SAE J2601/2 provides refueling recommendations, a standardized procedure for heavy-duty vehicles is far from being defined. This work is intended to address this lack of valuable knowledge. Furthermore, various operating conditions such as different ambient temperature, vehicle tank initial pressure, and Average Pressure Ramp Rates (APRRs) have been examined to assess their influence on the process parameters. Considerable attention is given to refueling time, and a further algorithm is presented with the objective of determining the most suitable APRR at which the vehicle tank is filled in the quickest time possible, within the allowable limits. From the simulation of 10 minutes refueling with an APRR=0.03 MPa/s, was found that the amount of hydrogen dispensed is 17.75 kg. This value is aligned with the performances of the 3Emotion hydrogen station sites. In conclusion, the analysis of the effect of different APRR shows that is possible to safely reduce the duration of empty-to-full fuel cell bus refueling by 62% increasing the APRR value from 0.03 to 0.06 MPs/s.

Fra gli elementi cardine della transizione energetica globale, l’idrogeno è certamente uno dei protagonisti in grado di offrire, in molteplici settori, soluzioni valide. Senza dubbio esso giocherà un ruolo significativo nel processo di decarbonizzazione dei veicoli per il trasporto su strada che non potrà prescindere dalla creazione di una adeguata infrastruttura. Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un modello termodinamico in grado di valutare le prestazioni delle stazioni di rifornimento ad idrogeno. In particolare, il loro uso al fine di rifornire una flotta di autobus a celle a combustibile (350 bar). Il modello, implementato in MATLAB, simula un rifornimento “tank-to-tank” nel quale il processo è guidato dalla differenza di pressione fra uno stoccaggio ad alta pressione, dove è immagazzinato l’idrogeno, ed il serbatoio del veicolo, a più bassa pressione. A causa dell’incremento di temperatura del gas durante il rifornimento la “Society of Automotive Engineers” ha sviluppato un protocollo, denominato SAE TIR J2601/2, che stabilisce i requisiti tecnici ed i parametri operativi atti a prevenire il raggiungimento di condizioni non sicure. Tuttavia, nonostante la SAE J2601/2 fornisca alcune raccomandazioni, una procedura standardizzata per veicoli pesanti non è ancora stata definita. Lo scopo di questo lavoro è quello di tentare di colmare questa importante lacuna. Per raggiungere questo obiettivo varie condizioni iniziali, come differenti temperature ambientali, pressioni iniziali del serbatoio dei veicoli e incrementi di pressione, sono state testate al fine di studiarne l’influenza sulle dimensioni cardine sul processo. Particolare attenzione è stata posta sul tempo di rifornimento ed un ulteriore algoritmo è stato sviluppato al fine di determinare l’incremento di pressione più adeguato a rifornire i veicoli nel minor tempo possibile rispettando i limiti. Dalla simulazione del rifornimento della durata di 10 minuti con incremento di pressione uguale a 0.03 MPa/s si osserva che la quantità di idrogeno erogato è di 17.75 kg. Tale valore rispecchia le prestazioni delle stazioni di rifornimento del Progetto 3Emotion. In conclusione, l’analisi sui vari incrementi di pressione mostra come sia possibile ridurre in sicurezza del 62% la durata del rifornimento da vuoto a pieno del serbatoio passando da 0.03 a 0.06 MPa/s.