The role of hydrogen in the energy transition

The new energy transition, driven by the global warming problem, is starting with the blending of natural gas and hydrogen in the existing pipeline infrastructure. Hydrogen has been chosen for its multiple ways of production and for being emission free, but it comes with numerous new challenges that must be tackled for the complete switch to happen. The most limiting one is the embrittlement phenomenon, a weakening in structural integrity of materials caused by the permeation of hydrogen into their atomic structure, that leads to the formation and spreading of cracks that has been found to be controllable when the mixture has a molar concentration of hydrogen not over the 20% limit. The thesis presents the energy transitions occurred in the history of mankind, with a special emphasis to the current one, discussing the pros and cons of gas/hydrogen blending. The last chapter proposes an original methodology for estimating the hydrogen molar percentage in a mixture, by exploiting pressure and temperature measurements, usually available for all pipelines, and so without the need of new ad hoc sensors.

La nuova transizione energetica, fomentata dal problema del riscaldamento globale, comincia con la miscelazione dei gas naturali con l’idrogeno nei gasdotti. L’idrogeno è stato scelto perché ottenibile con una moltitudine di processi di produzione e per il fatto di essere privo di emissioni, ma si porta dietro anche numerosi problemi che vanno affrontati prima che un cambio completo possa avvenire. Il problema più limitante è il fenomeno dell’embrittlement, un indebolimento dell’integrità strutturale dei materiali, causato dalla permeazione dell’idrogeno nelle strutture atomiche, che porta alla formazione e diffusione di fratture controllabile, secondo vari studi, quando la concentrazione molare d’idrogeno nella miscela rimane sotto il limite di 20%. La tesi presenta le transizioni energetiche avvenute durante la storia umana, con enfasi su quella in corso, discutendo dei pro e contro della miscelazione gas naturali/idrogeno. L’ultimo capitolo propone una metodologia originale per la stima della percentuale molare di idrogeno nella miscela sfruttando misure di pressione e temperatura, di solito già presenti in tutti i gasdotti, senza quindi il bisogno di nuovi sensori ad hoc.