IDROGENO COME VETTORE ENERGETICO: INFRAGILIMENTO DEI METALLI E VALUTAZIONI SULL'EFFICIENZA, SUPPORTATE DA ANALISI CFD.

This thesis work, the result of a five-month experience at the Centro Ricerche Fiat Research Centre in Valenzano (BA), investigates the interaction and susceptibility of metallic and and non-metallic materials with hydrogen. And in addition, it analyses the relative combustion of hydrogen through a computational model of the real AVL 5401 engine, in order to demonstrate the tangibility of its possible use in modern technologies. Hydrogen permeates into the materials of the tanks or pipes in which it lies. Especially at high temperatures and pressures, it is believed that all steels above 30 HRC are vulnerable, as are materials such as copper, low oxygen (tough pitch copper) or without it, titanium and titanium alloys, nickel and nickel alloys, causing decarbonisation and embrittlement. As a result, the metal fractures at a much lower load than expected. In general, the solution to embrittlement consists of in the use of non-porous materials to avoid hydrogen permeability, such as ceramic materials. It is also advisable to use steel with low levels of impurities and use effective surface coatings and inhibitors. The simulation also found that the combustion of hydrogen leads to lower emissions, particularly of NOX, thanks to the use of even extremely lean air-fuel mixtures, which increase thermal efficiency.

Il presente lavoro di tesi, frutto di un’esperienza di cinque mesi presso il Centro Ricerche Fiat di Valenzano (BA), approfondisce l’interazione e la suscettibilità dei materiali metallici e non, con l’idrogeno. Ed in aggiunta analizza la relativa combustione dell’idrogeno, attraverso un modello computazionale del motore reale AVL 5401, in modo da dimostrare la tangibilità del suo possibile utilizzo nelle tecnologie moderne. L'idrogeno permea nei materiali dei serbatoi o delle tubazioni in cui giace. Soprattutto a temperature e pressioni elevate, si ritiene che tutti gli acciai al di sopra dei 30 HRC siano vulnerabili, così come materiali come il rame, a basso contenuto di ossigeno (tough pitch copper) o privi di esso, il titanio e le leghe di titanio, il nichel e le leghe di nichel, causando decarburazione ed infragilimento. Di conseguenza, il metallo si frattura ad un carico molto più basso del previsto. In generale la soluzione all’infragilimento consiste nell’utilizzo di materiali non porosi per evitare la permeabilità all'idrogeno, come ad esempio i materiali ceramici. Si consiglia inoltre di utilizzare acciaio con bassi livelli di impurità ed utilizzare rivestimenti superficiali ed inibitori efficaci. Dalla simulazione è stato inoltre constatato che la combustione di idrogeno permette la diminuzione delle emissioni, in particolare di NOX, grazie all’utilizzo di miscele di aria-combustibile anche estremamente magre, che ne aumentano l’efficienza termica.