Proposal for an efficient cryogenic hydrogen liquefaction and storage system for airports

Hydrogen produced from renewable energy through electrolysis is a carbon-neutral energy carrier. When liquefied, its volumetric energy density increases, reducing the space and weight of the fuel storage system. Liquid hydrogen is a promising solution for decarbonizing the aviation sector, as it meets the demands for lightweight components and long operational ranges. However, developing an efficient infrastructure for the production and storage of liquid hydrogen is crucial. A significant challenge in liquid hydrogen storage is related to ortho-para conversion, which is a spontaneous and exothermic transition between the two spin isomers of hydrogen. To address this, an innovative conceptualization of the hydrogen liquefaction system is proposed, involving long-term cryocompressed hydrogen storage as an alternative to conventional liquid hydrogen storage. In this system, hydrogen is directed to the cryogenic section of the plant and liquefied only when liquid hydrogen is needed. This approach minimizes the residence time of liquid hydrogen in storage, reducing boil-off losses associated with ortho-para conversion. A layout for the cryogenic section has been designed specifically for a cryocompressed hydrogen inlet. This solution is compared to the simple Claude cycle, which represents the current state-of-the-art in hydrogen liquefaction. The behaviour of both systems is analyzed using numerical simulations based on a MATLAB code developed by the author. This MATLAB simulation environment is available for future studies, offering complete control over the simulation process and the models used, along with the capability to address transient phenomena. Models for thermodynamic properties and ortho-para conversion are based on existing literature, while balance and constitutive equations form the basis for modelling plant components. The optimal operating conditions for both configurations are determined, and the proposed solution shows a reduced specific energy consumption and a higher production rate of liquid hydrogen.

L'idrogeno prodotto da energia rinnovabile tramite elettrolisi è un vettore energetico a emissioni zero. Se liquefatto, la sua densità energetica volumetrica aumenta, riducendo lo spazio e il peso del sistema di stoccaggio del carburante. L'idrogeno liquido è quindi una soluzione promettente per la decarbonizzazione del settore aeronautico, poiché soddisfa le esigenze di componenti leggeri e lunghe autonomie. Tuttavia, è cruciale lo sviluppo di un sistema efficiente per la produzione e lo stoccaggio di idrogeno liquido. Una sfida significativa nello stoccaggio di idrogeno liquido è legata alla conversione orto-para, una transizione spontanea ed esotermica tra le due forme isomeriche dell'idrogeno. Per affrontarla, viene proposta una nuova concezione del sistema di liquefazione, che prevede lo stoccaggio a lungo termine di idrogeno criocompresso come alternativa al tradizionale stoccaggio di idrogeno liquido. In questo sistema, l'idrogeno viene inviato alla sezione criogenica dell'impianto e liquefatto solo quando l'idrogeno liquido è necessario. Ciò permette di ridurre il tempo di permanenza dell'idrogeno liquido nel serbatoio, limitando le perdite per evaporazione dovute alla conversione orto-para. Viene proposto un layout per la sezione criogenica, pensato specificamente per un input di idrogeno criocompresso. Questa soluzione viene confrontata con il ciclo Claude semplice, stato dell'arte nella liquefazione dell'idrogeno. Il comportamento dei sistemi è analizzato tramite simulazioni numeriche, basate su un codice MATLAB sviluppato dall'autrice. Questo strumento di simulazione è disponibile per studi futuri, offrendo completo controllo sul processo di calcolo e sui modelli utilizzati, nonché la capacità di trattare fenomeni tempo-varianti. I modelli per le proprietà termodinamiche e la conversione orto-para si basano sulla letteratura esistente, mentre le equazioni di bilancio e costitutive pongono le basi per la modellizzazione dei componenti dell'impianto. Vengono determinate le condizioni operative ottimali per entrambe le configurazioni, e la soluzione proposta mostra una riduzione del consumo energetico specifico e un maggior tasso di produzione di idrogeno liquido.