Next-generation hydrides: numerical investigation using hydrogen as direct heat transfer medium

Hydrogen storage remains a key challenge for a hydrogen-based energy system, as its high gravimetric density contrasts with a low volumetric one. Solid-state storage in metal hydrides offers a balanced solution in terms of safety, compactness and efficiency. This thesis presents the numerical modelling of two representative materials: magnesium hydride (MgH2), a high-temperature hydride, and sodium alanate (NaAlH4), a complex hydride. An in-house MATLAB model developed at Politecnico di Milano for LaNi5 is extended to these next-generation hydrides, solving the coupled conservation equations of mass, momentum, and energy through the finite-differences method and the ODE15s numerical solver. Hydrogen is used as a direct heat-transfer medium within the hydride bed, enhancing thermal management. Simulations of absorption and desorption show that the proposed configuration is effective. For MgH2, complete desorption occurs in about 1200s, while absorption requires roughly 3000s. NaAlH4 exhibits a two-step mechanism, completing both reactions in around 100s. The energy consumed by auxiliary components accounts for approximately 30% and 20% of the hydrogen lower heating value for magnesium and sodium-aluminium, respectively. Both hydrides undergo a sensitivity analysis on geometrical, porometric, and thermodynamic parameters. The geometrical parameters, especially the reactor diameter, strongly affect energy demand and reaction time, whereas the porometric parameter of particle size has only a minor effect. Thermodynamic parameters, namely the temperature difference and inlet mass flow rate, are identified as key factors controlling the overall kinetics. The developed model reliably reproduces the behaviour of complex and high-temperature hydrides, providing a versatile tool for the design and optimisation of solid-state hydrogen storage systems.

L’accumulo di idrogeno costituisce una delle principali sfide per i sistemi energetici basati su questo vettore, poiché la sua elevata densità gravimetrica si accompagna a una bassa densità volumetrica. Lo stoccaggio allo stato solido tramite idruri metallici offre una soluzione bilanciata in termini di sicurezza, compattezza ed efficienza. La presente tesi illustra la modellazione numerica di due materiali rappresentativi: l’idruro di magnesio (MgH2), un idruro ad alta temperatura, e l’alanato di sodio (NaAlH4), un idruro complesso. Un modello MATLAB sviluppato al Politecnico di Milano per LaNi5 è stato esteso a idruri di nuova generazione, risolvendo le equazioni di trasporto di massa, quantità di moto ed energia tramite differenze finite e il risolutore ODE15s. L’idrogeno funge da fluido termovettore all’interno del letto di idruro, migliorando lo scambio termico. Le simulazioni di assorbimento e desorbimento confermano l’efficacia della configurazione proposta. Per il MgH2, il desorbimento si completa in circa 1200s e l’assorbimento in 3000s, mentre per il NaAlH4, con meccanismo a due stadi, entrambe le reazioni avvengono in circa 100s. L’energia richiesta dai componenti ausiliari equivale a circa il 30% e il 20% del potere calorifico inferiore dell’idrogeno per MgH2 e NaAlH4, rispettivamente. Per entrambi gli idruri è stata condotta un’analisi di sensitività sui parametri geometrici, porometrici e termodinamici. I primi, in particolare il diametro del reattore, influenzano significativamente la domanda energetica e i tempi di reazione, mentre i parametri porometrici hanno un effetto secondario. I parametri termodinamici, differenza di temperatura e portata massica in ingresso, risultano invece determinanti per la cinetica complessiva. Il modello sviluppato riproduce in modo affidabile il comportamento degli idruri complessi e ad alta temperatura, fornendo uno strumento versatile per la progettazione e l’ottimizzazione dei sistemi di accumulo di idrogeno allo stato solido.