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Il sistema energetico mondiale è ancora fortemente legato a fonti fossili di energia non rinnovabili come il petrolio, il carbone e il gas naturale. La progressiva riduzione di questi vettori energetici, il loro conseguente aumento dei prezzi di mercato e l’attenzione all’impatto ambientale hanno spinto la ricerca scientifica verso soluzioni energetiche in grado di sostituire i combustibili fossili. In questo scenario, l’idrogeno è ampiamente considerato uno dei più promettenti vettori energetici del futuro a causa delle basse emissioni inquinanti che caratterizzano la sua reazione di ossidazione, portando enormi benefici in termini di riduzione dell’impatto ambientale. Anche se il processo di conversione dell’energia ‘tank to wheel’ dell’idrogeno risulta essere GHG-free (Green House Gases free), l’analisi completa sull’impatto ambientale del suo utilizzo deve considerare anche il processo ‘well to tank’: l’idrogeno è prodotto prevalentemente dal processo di steam reforming da gas naturale il quale produce 7.50 chilogrammi di anidride carbonica ogni chilogrammo di idrogeno prodotto.
Ulteriori problemi che caratterizzano la tecnologia dell’idrogeno sono anche il suo trasporto ed il suo immagazzinamento. A causa di queste problematiche, la ricerca scientifica si è spinta verso sistemi in grado di produrre idrogeno che siano completamente GHG-free e capaci di ridurre i rischi riguardanti il trasporto e l’immagazzinamento del gas. Recentemente, all’interno di questo ambito, le razioni chimiche tra metalli e acqua sono state prese in esame dato il loro promettente comportamento in termini di produzione di idrogeno. L’attività presentata all’interno di questo elaborato di tesi focalizza la sua attenzione sulla reazione tra alluminio e acqua, in quanto essa appare una delle più promettenti dato l’elevato rateo di produzione di idrogeno inoltre questa reazione risulta essere libera da emissioni nocive o ad effetto serra, in quanto l’unico co-prodotto è ossido di alluminio, e pertanto potenzialmente in grado di sostenere sistemi energetici ad elevata sostenibilità ambientale.
L’uso dell’alluminio come combustibile (e quindi come vettore energetico) è già stato analizzato in letteratura per la propulsione missilistica, ma la sua applicazione in sistemi di conversione dell’energia non è stata ancora pienamente esplorata. Lo scopo di questo lavoro è l’analisi della reazione tra alluminio e acqua e lo sviluppo del prototipo di un sistema cogenerativo in grado di produrre idrogeno oltre a energia elettrica e termica dalla conversione del calore liberato dall’ossidazione tra alluminio e acqua. Il sistema concettuale, chiamato QUADRIGEN, è potenzialmente in grado di fornire idrogeno pressurizzato e vapore ad alta temperatura, che può essere utilizzato in un ciclo termodinamico per produrre calore e lavoro disponibile all’albero di una turbina. Analisi preliminari hanno evidenziato che tale sistema è caratterizzato da elevati valori di efficienza energetica se comparato con i tradizionali sistemi cogenerativi.
La presente tesi analizza lo stato dell’arte sulle reazioni tra metalli e acqua, con riferimento alla reazione tra alluminio e acqua; particolare attenzione è stata rivolta alle ricerche svolte da E.L. Dreizin, M.W. Beckstead et al., V.Golovitchev, J. Petrovic et al., M.S. Vlaskin et al., I. Glassman, C. Law, R.A. Yatter, G.A. Risha, S.F. Son e N. Glumac.
All’interno dell’elaborato viene presentata un'analisi su alcuni modelli di reazione 0D e 3D presenti in letteratura, dai quali ne è stato sviluppato uno 0D che è stato incluso all’interno di una libreria del software commerciale LMS ImagineLab AMESim.
Tale modello ha guidato la fase di progettazione del sistema cogenerativo illustrato in precedenza. Infine, l’analisi numerica è stata integrata da studi sperimentali compiuti sul processo di combustione dell’alluminio in acqua.

Nowadays the worldwide energy supply system is still strongly based on non-renewable fossils energy sources like oil, coal and natural gas. The constant decrease of these energy vectors (combined to a progressive price rising) and the attention to the environmental impact have driven a lot of research attention toward energy vectors able to replace fossil fuels. In this scenario, hydrogen is considered one of the most promising energy carriers for the future; in fact, the low polluting emissions of the hydrogen oxidation demonstrate great advantages in terms of environmental impact. Even though the hydrogen ‘tank to wheel’ conversion is GHG-free, the ‘well to tank’ analysis has to be accounted for in order to assess the influence on the environment of the hydrogen employment. Hydrogen is mainly produced by natural gas steam reforming that generates 7.50 kgCO2 each kilogram of hydrogen; thus hydrogen cannot be fully considered as a green fuel and most of all as a renewable energy source. Other critical issues of hydrogen technology are the gas transport and the gas storage. Due to these issues, the scientific researches in hydrogen technology are mainly driven towards new systems able to produce a fully GHG free hydrogen and to reduce the risks concerning the hydrogen storage and transport. More recently, reactions between metals and water have been investigated due to their promising behavior in producing hydrogen. The activity presented in this thesis is focused on the aluminum/water reaction that seems to be one of the most promising, due to the high hydrogen production rate. Moreover this reaction is fully GHG free (the only by product is aluminum oxide) and it complies with environment sustainability requirements. The use of aluminum as a fuel has been already studied in literature for rocket propulsion, but its application in energy conversion systems is currently not well explored. The aims of this work are the analysis of the reaction between aluminum and water and the design of a cogeneration system prototype able to produce electric and thermal power from the conversion of the heat evolved by the Al/H2O oxidation. The proposed system concept, called QUADRIGEN, is potentially able to provide pressurized hydrogen and high temperature steam that can be used in a thermodynamic cycle to produce work at the turbine crankshaft and heat. The system demonstrates high energy conversion efficiency. The present thesis analyzes the state of the art of the metal reaction with water, with particular attention to the reaction between aluminum and water. Particular care is devoted to the research made by E.L. Dreizin, M.W. Beckstead et al., V.Golovitchev, J. Petrovic et al., M.S. Vlaskin et al., I. Glassman, C. Law, R.A. Yatter, G.A. Risha, S.F. Son and N. Glumac. In this work, an overview on 0D and 3D models available in literature has been made and a simplified 0D model of Aluminum/Water reaction is proposed and included in a customized library of the commercial software LMS ImagineLab AMESim. This model has driven the prototyping design of the co-generative system described previously. Finally, the numerical analysis has been integrated by a series of experimental studies on the behavior of the aluminum/water combustion.