Hydrogen production in potentially explosive atmosphere : preliminary analysis and choice of suitable equipment

Hydrogen is an energy vector with very high potentiality to be exploited in the next future in many sectors such as automotive, energy production and storage, to help reaching the CO2 neutrality before 2050. Among the pros, hydrogen has an elevated energy density per unit of mass, much higher than the natural gas one, and its use in electrolyzer allows to generate only electricity and water without pollutants; at the expensive of very low volume energy density, one of its main drawbacks. The storage sector is the main topic of this study: an easily movable plug-in system is designed inside a container to use the additionally electricity produced with renewable sources – when the available power is higher that the demand – to generate gaseous hydrogen in electrolyzer that will be compressed until almost 700 bar, stored in very high-pressure tank, and converted, whenever is needed, in electricity using a 15 kW fuel cell stack. In particular, the purpose of this thesis is the analysis of the components contained in the system, with a focus on the electrolyzer and fuel cell technologies, and a market analysis of the whole elements necessary in this type of plant. Standards and national Directives related to hydrogen are proposed to better explain what is needed by this technology to spread and, with the help of specialist from Technor Italsmea, the ATEX Directive is explained in relation with hydrogen use. Efficiencies of the whole system are computed with design parameters in the case of combined heat and power generation, obtaining that it is possible to recover about one fifth of the power inlet in the system. Finally, a qualitative analysis is presented where the performances of the whole system (from the renewables’ electricity consumed to produce hydrogen until the electricity generated using hydrogen) are showed related to the variation of the main operative factors: temperature, pressure, relative humidity.

L’idrogeno è un vettore energetico con un potenziale molto alto che dovrà esser sfruttato nel prossimo futuro in molti settori come l’automotive, la produzione energetica e lo stoccaggio, per aiutare a raggiungere la neutralità di CO2 entro il 2050. Tra i suoi vantaggi, l’idrogeno può vantare un’elevata densità energetica per unità di massa, molto maggiore di quella del gas naturale, e il suo utilizzo negli elettrolizzatori permette di generare solo elettricità e acqua senza inquinanti, a discapito di una densità energetica per unità di volume bassa, uno dei suoi più grandi svantaggi. Lo stoccaggio è l’argomento principale di questo studio: un sistema plug-in facilmente spostabile è stato progettato all’interno di un container per usare l’elettricità in più prodotta con risorse rinnovabili – quando la potenza disponibile è maggiore della domanda – per generare idrogeno gassoso in un elettrolizzatore che verrà poi compresso fino a quasi 700 bar, stoccato in contenitori ad alta pressione, e convertito, quando necessario, in elettricità usando un pacco di celle a combustibile da 15 kW. In particolare, l’obbiettivo di questa tesi è l’analisi dei componenti presenti nel sistema, con un approfondimento sulle tecnologie di elettrolizzatori e celle a combustibile, e l’analisi di mercato per tutti gli elementi necessari in questo tipo di impianto. Sono presentati gli Standard e le Direttive nazionali riguardanti l’idrogeno per esporre meglio cosa è necessario per diffondere questa tecnologia e, con l’aiuto di specialisti dalla Technor Italsmea, viene spiegata la direttiva ATEX relativa all’uso dell’idrogeno. Le efficienze dell’intero sistema sono state calcolate con i parametri di progettazione nel caso di generazione combinata di elettricità e potenza, ottenendo che è possibile recuperare circa un quinto della potenza entrata nel sistema. Infine, è mostrata un’analisi qualitativa dove le performance dell’intero impianto (dall’elettricità delle rinnovabili consumata per produrre idrogeno fino a quella generata usando idrogeno) sono presentate in relazione alla variazione dei principali fattori operativi: temperatura, pressione e umidità relativa.