Detailed modelling of innovative solutions for producing and using renewable fuels like hydrogen and biomethane

This PhD research has the aim to develop novel and innovative technologies, in the context of an increasing interest in renewable energy production and utilisation. As the traditional methods, in most of the cases, are considered polluting and low-efficient, this study was conducted under the guiding principle of achieving a zero-carbon footprint. The first objective is to devise strategies for producing conventional fuels—such as methane—in a manner that ensures the overall lifecycle of the fuel results in a net-zero CO₂ balance. Fuels produced through such processes can be classified as “biofuels”. More specifically, an innovative production strategy for biomethane has been developed, making use of a novel architecture – i.e. the pipe-in-pipe architecture – and optimisation algorithms, to ensure the best compromise between performance and compactness of the system. Furthermore, Hydrogen is increasingly considered a promising alternative energy carrier due to its potential for zero carbon emissions. Its high energy content makes it attractive for applications such as aviation, railways and automotive. This research work focused on aviation. Nevertheless, challenges remain in storage and handling because of the physical properties of hydrogen: its low density imposes a storage in liquid form, which is, on the other hand, hard to maintain, because of the low temperatures required. Research efforts have focused on overcoming these obstacles, with preliminary models and strategies developed to ensure efficient and reliable integration into energy systems. Another focus was on the vaporizer, which was designed to meet the operative conditions of the aforementioned fuel system. To minimise the occupied volume for the vaporizer on board, the pipein-pipe architecture was again used, along with a parametric tuning of the numeric model, thus allowing to obtain a limited total volume for the pipes along with an enhanced performance, also ensuring that the material constituting the tubes could successfully withstand the pressure imposed by the system.

Questa ricerca di dottorato ha l’obiettivo di sviluppare tecnologie nuove e innovative, nel contesto di un crescente interesse per la produzione e l’utilizzo di energia rinnovabile. Poiché i metodi tradizionali, nella maggior parte dei casi, sono considerati inquinanti e poco efficienti, questo studio è stato condotto seguendo il principio guida di raggiungere un’impronta di carbonio pari a zero. Il primo obiettivo consiste nell’ideare strategie per produrre combustibili convenzionali — come il metano — in modo tale da garantire che l’intero ciclo di vita del combustibile comporti un bilancio netto di CO₂ pari a zero. I combustibili prodotti attraverso tali processi possono essere classificati come “biocarburanti”. Più nello specifico, è stata sviluppata un’innovativa strategia di produzione per il biometano, che fa uso di una nuova architettura — ossia l’architettura *pipe-in-pipe* — e di algoritmi di ottimizzazione, al fine di garantire il miglior compromesso tra prestazioni e compattezza del sistema. Inoltre, l’idrogeno è sempre più considerato un promettente vettore energetico alternativo grazie al suo potenziale di emissioni di carbonio pari a zero. Il suo elevato contenuto energetico lo rende interessante per applicazioni quali l’aviazione, le ferrovie e il settore automobilistico. Questo lavoro di ricerca si è concentrato sull’aviazione. Tuttavia, permangono delle sfide nello stoccaggio e nella gestione a causa delle proprietà fisiche dell’idrogeno: la sua bassa densità impone lo stoccaggio in forma liquida, che, d’altra parte, è difficile da mantenere a causa delle basse temperature richieste. Gli sforzi di ricerca si sono concentrati sul superamento di questi ostacoli, con modelli preliminari e strategie sviluppate per garantire un’integrazione efficiente e affidabile nei sistemi energetici. Un ulteriore ambito di studio è stato il vaporizzatore, progettato per soddisfare le condizioni operative del sistema di combustibile sopra menzionato. Per minimizzare il volume occupato a bordo dal vaporizzatore, è stata nuovamente utilizzata l’architettura *pipe-in-pipe*, insieme a una taratura parametrica del modello numerico, consentendo così di ottenere un volume totale limitato per le tubazioni insieme a prestazioni migliorate, garantendo inoltre che il materiale costituente i tubi potesse resistere con successo alla pressione imposta dal sistema.