Riassunto analitico
Il lavoro di tesi riassume le attività svolte durante il mio tirocinio di Laurea Magistrale presso il Fluid Power for Mobile Application Lab del Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari. Come si evince dal titolo, il focus di questo lavoro di tesi è sull'analisi dettagliata e sull'ottimizzazione di un sistema di compressione utilizzato per alimentare una stazione di rifornimento di idrogeno destinata ai veicoli pesanti.
I veicoli pesanti rappresentano una parte significativa delle emissioni di gas nocivi dell'industria automobilistica. Questa ricerca si propone di promuovere l'uso dell'idrogeno come elemento chiave nella transizione energetica di tali veicoli, implementando questo sistema all'interno del progetto H2REF-DEMO. H2REF-DEMO è un'iniziativa europea che coinvolge aziende ed enti, con l'obiettivo di sviluppare e ampliare di un fattore 5 il concetto innovativo di compressione precedentemente sviluppato nel progetto H2REF (n. 671463, avviato a settembre 2015 e completato a dicembre 2019), il quale ha studiato la capacità di compressione dell'idrogeno per veicoli leggeri tramite l'utilizzo di potenza idraulica. Questo obiettivo è fondamentale per gestire le esigenze di rifornimento dei veicoli di grandi dimensioni che richiedono un flusso di idrogeno di centinaia di chilogrammi all'ora, come le stazioni di rifornimento per i depositi di flotte di autobus, i camion cisterna o i treni.
Il concetto fondamentale del sistema H2REF-DEMO consiste nell'utilizzare l'energia idraulica per comprimere l'idrogeno. Durante la fase di pompaggio dell'olio nell'accumulatore, la vescica contenente l'idrogeno subisce una deformazione, causando una compressione del gas che può essere successivamente convogliato nel serbatoio del veicolo. Il progetto precedente ha già dimostrato i principali vantaggi di questo approccio, come l'alta portata di idrogeno, la compattezza e l'affidabilità tipiche delle applicazioni di potenza fluida, nonché l'efficace compressione diretta che porta a un miglior consumo energetico rispetto ai sistemi standard.
Questa attività è parte integrante del progetto H2REF-DEMO con l'obiettivo di sostenere la progettazione del layout del sistema (chiamato High-Capacity Compression Module) e, soprattutto, di definire e ottimizzare la sua gestione operativa per migliorare le prestazioni complessive. Sono state stabilite diverse modalità operative per il sistema di compressione in base alle condizioni al contorno, la cui gestione è un aspetto cruciale per ottimizzare i tempi di rifornimento e i consumi energetici, nonché per rispettare i vincoli del sistema.
Tramite l'analisi delle prestazioni di diverse strategie di controllo abbiamo ottenuto una comprensione completa del comportamento del sistema in tutte le possibili condizioni operative. Partendo dalle logiche più promettenti, è stato poi possibile sviluppare una strategia di controllo ottimale per passare dinamicamente tra le varie modalità di lavoro durante un ciclo di rifornimento.
I risultati delle simulazioni dimostrano l'efficacia del layout e della logica di controllo proposti e la loro considerevole efficienza in termini di tempo di rifornimento e consumo energetico, specialmente se confrontati con i sistemi standard per questa applicazione.
Infine, sarà possibile assistere alla traduzione della strategia ottimale in linguaggio PLC per il prossimo test del sistema reale.
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Abstract
The presented thesis work summarizes the activities carried out during my master’s degree internship at the Fluid Power for Mobile Application Lab of the Enzo Ferrari Department of Engineering. As the title suggest, this thesis deals with the detailed analysis and optimization of a compression system supplying a hydrogen refueling station for heavy-duty vehicles.
Heavy-duty vehicles constitute an important percentage of the automobile industry's harmful gas emissions. This thesis aims to promote hydrogen as a key actor in the energy transition of these types of vehicles, developing this system as part of the H2REF-DEMO project. H2REF-DEMO is a European project involving a partnership of companies and entities that aims to further develop and scale up by a factor of 5 the innovative compression concept developed in the former H2REF project (No. 671463, start: September 2015, completion: December 2019), where the capability of hydrogen compression for passenger vehicles through hydraulic power was investigated. This goal is mandatory to handle large vehicle refueling applications that require hydrogen delivery at rates of hundreds of kilograms per hour, such as refueling station for bus fleet depot, refueling trucks or trains.
The basic principle of the H2REF-DEMO system is the exploitation of hydraulic power to compress hydrogen. The oil pumping phase into the accumulator, in fact, causes a deformation of the bladder full of H2 and so a consequent gas compression, which can be conveyed to the vehicle tank. The former project had already demonstrated the main benefits of this approach, such as high flow rate of hydrogen, compactness and improved reliability typical of fluid power applications, and effective direct compression leading to improved energy consumption with respect to standard systems.
This activity is thus part of the H2REF-DEMO project with the aim of supporting the design of the system layout (called High-Capacity Compression Module) and, above all, defining and optimizing its operational management to enhance overall performance. We defined, in fact, different operating modes for the compression system as function of the boundary conditions, whose management is a fundamental aspect for optimizing the refueling time and energy consumption and meeting the system constraints.
The performance analysis of several different control strategies allowed us to have a complete understanding of the system behaviour throughout all the possible operating conditions. Starting from the most promising logics, it was then possible to develop an optimal control strategy to dynamically switch between the various working modes during a refueling cycle.
The results of the simulations demonstrate the effectiveness of the proposed layout and control logic and its considerable efficiency in terms of refueling time and energy consumption, especially if compared to the standard systems for this application.
Finally, we could also support the translation of the optimal strategy into PLC language for the upcoming testing of the actual system.
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