Enhancing Energy Efficiency in the Maritime Industry: The Role of Hydrogen Refueling Stations

Le navi del mondo si sono a lungo affidate a combustibili pesanti a base di petrolio per attraversare gli oceani, una pratica che oggi rappresenta uno degli ostacoli più ostinati alla pulizia delle emissioni globali. Per cambiare questo, gli ingegneri guardano all'idrogeno, un combustibile che produce solo acqua quando utilizzato nel motore di una nave. Tuttavia, rendere l'idrogeno pulito richiede la generazione dello stesso tramite elettricità proveniente dal sole o dal vento, e poi lo stoccaggio in modo sicuro fino a quando una nave non arriva al porto per il rifornimento. Ciò crea un complesso rompicapo: il sole non splende sempre, il vento non soffia sempre e le navi non arrivano sempre secondo un programma prevedibile. Se la fonte di energia si interrompe mentre una nave è in attesa, o se il combustibile finisce prima che la nave sia piena, il sistema fallisce. La sfida non è solo produrre il combustibile, ma costruire una stazione che possa bilanciare queste fonti di energia imprevedibili con le esigenze urgenti e specifiche di un vessel.

Un team di ricercatori dell'Università di Alessandria ha affrontato questo rompicapo costruendo un modello informatico dettagliato di una stazione di rifornimento di idrogeno marittima. Il loro lavoro si concentra su un tipo specifico di stazione che utilizza l'energia rinnovabile per scindere l'acqua in idrogeno, stocca quell'idrogeno in serbatoi ad alta pressione e lo distribuisce alle navi. I ricercatori volevano vedere come tale stazione si sarebbe comportata su un breve periodo, osservando specificamente come gestisce la differenza tra quando l'energia è disponibile e quando una nave ne ha bisogno. Hanno costruito una stazione virtuale dotata di pannelli solari, turbine eoliche, una grande batteria per attenuare le fluttuazioni di potenza e un elettrolizzatore — la macchina che trasforma lità ed acqua in idrogeno. Hanno poi eseguito una simulazione della durata di centottanta ore, ovvero sette giorni e mezzo, per osservare come il sistema gestisse il flusso di energia e di combustibile.

Lo studio ha testato due scenari differenti: uno in cui la stazione faceva affidamento sull'energia solare e un altro in cui faceva affidamento sull'energia eolica. Nello scenario solare, la stazione ha prodotto un totale di duecentoquarantasei virgola ottantasei chilogrammi di idrogeno nell'arco dei sette giorni e mezzo. Questo si è tradotto in una media di circa trentadue virgola novuno chilogrammi al giorno. Nello scenario eolico, la stazione ha ottenuto prestazioni migliori in termini di volume totale, producendo trecentoventisette virgola quindici chilogrammi, ovvero circa quarantatré virgola sessantadue chilogrammi al giorno. La stazione alimentata dal vento è riuscita a produrre il trentadue virgola cinque percento di combustibile in più rispetto a quella solare durante questo specifico test. Questa differenza è avvenuta perché il profilo del vento utilizzato nella simulazione è rimasto costante e disponibile per tutto il tempo, mentre l'input solare è stato interrotto dal ciclo naturale del giorno e della notte.

I ricercatori hanno prestato attenzione anche alla batteria della stazione, che funge da buffer per immagazzinare l'elettricità in eccesso per un uso successivo. Nel test solare, la batteria è partita a metà capacità e si è lentamente svuotata fino a poco più del venti percento alla fine della simulazione. Ciò è accaduto perché i pannelli solari non generavano abbastanza energia extra durante il giorno per ricaricare completamente la batteria dopo che il sistema aveva utilizzato l'energia per far funzionare le apparecchiature di produzione dell'idrogeno. Al contrario, il test eolico ha mostrato la batteria caricarsi, terminando la simulazione con quasi il novanta percento della capacità. Questo è avvenuto perché le turbine eoliche generavano più elettricità di quanta la stazione ne avesse bisogno in quel momento, permettendo all'eccedenza di riempire la batteria. Questi risultati evidenziano una lezione critica: la performance di una stazione di idrogeno dipende fortemente dal pattern specifico della fonte di energia, non solo dalla sua potenza totale.

Oltre a contare semplicemente il combustibile, il team ha calcolato quanta energia fosse necessaria per produrre ogni chilogrammo di idrogeno. Hanno scoperto che la macchina che produce l'idrogeno richiedeva cinquantacinque virgola due kilowattora di elettricità per ogni chilogrammo prodotto. Quando hanno aggiunto l'energia necessaria per comprimere l'idrogeno in un serbatoio ad alta pressione per lo stoccaggio, il requisito totale è salito a cinquantasette virgola due kilowattora per chilogrammo. Ciò si traduce in un'efficienza di circa il cinquantotto virgola tre percento, il che significa che una parte significativa dell'energia viene persa sotto forma di calore durante il processo. I ricercatori hanno sottolineato che questi numeri si basano su assunzioni ingegneristiche standard per un modello di screening, non su misurazioni provenienti da un impianto reale e operativo.

Lo studio ha anche esaminato l'aspetto economico della costruzione di una simile stazione, pur mantenendo tali calcoli finanziari separati dalla simulazione tecnica a breve termine. Utilizzando dati tratti dalla letteratura esistente, hanno stimato il costo di produzione dell'idrogeno a diverse scale. Hanno scoperto che all'aumentare delle dimensioni della stazione, il costo per chilogrammo diminuisce. Per una piccola stazione che produce due tonnellate metriche di idrogeno al giorno, il costo è stato stimato in cinque virgola settantadue dollari per chilogrammo. Per una stazione molto più grande che produce diciotto tonnellate metriche al giorno, il costo è sceso a tre virgola settantadue dollari per chilogrammo. Ciò suggerisce che la costruzione di strutture più grandi potrebbe rendere l'idrogeno più economico, ma i ricercatori hanno osservato che si tratta di un risultato teorico basato su specifiche assunzioni riguardanti i costi delle apparecchiature e la frequenza di utilizzo della stazione.

Una chiave di lettura fondamentale di questo lavoro è la distinzione tra come una stazione performa in un test breve rispetto a come performerebbe su un anno intero. I ricercatori sono stati cauti nell'affermare che la loro simulazione di sette giorni e mezzo non è sufficiente per dimostrare che una stazione funzionerà in modo affidabile durante tutto l'anno. Il meteo reale cambia con le stagioni, e le navi non arrivano secondo un programma perfetto. Lo studio funge da blueprint metodologico, mostrando come bilanciare correttamente gli input energetici, lo stoccaggio e le richieste di combustibile in un modello informatico. Dimostra che, sebbene il vento possa produrre più combustibile in questo specifico test, il sole potrebbe offrire picchi di potenza più elevati che potrebbero essere utili se la stazione disponesse di diverse capacità di stoccaggio.

I ricercatori hanno concluso che progettare una stazione di rifornimento di idrogeno per le navi non è semplicemente una questione di scegliere la migliore fonte di energia. Richiede un sistema in grado di gestire il disallineamento tra quando l'energia viene generata e quando ne viene fatta richiesta. La batteria e i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno sono essenziali per colmare questo divario, ma la loro dimensione e il loro comportamento dipendono interamente dai modelli meteorologici locali e dalle esigenze specifiche delle navi. Sebbene lo studio non fornisca una risposta definitiva su quale fonte di energia sia superiore, esso fornisce un modo chiaro e verificabile per testare questi sistemi prima di investire denaro reale. La strada da seguire consiste nel prendere questo modello e testarlo con i dati meteorologici di un anno intero e con gli orari reali delle navi, per garantire che la stazione possa consegnare il combustibile in modo affidabile, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche.