Caratterizzazione delle potenzialità di blend NH3-H2 e CO-H2 come sostituti del Diesel in motori marini tramite simulazioni CFD 3D e di cinetica chimica.

In un’ottica di progressiva decarbonizzazione del settore marino, il lavoro di tesi si è concentrato sulla conversione di un motore diesel per l’utilizzo di carburanti sostenibili, in particolare syngas e miscele composte da ammoniaca e idrogeno, con particolare attenzione posta sul processo di combustione. L’obbiettivo principale è indagare la reattività delle miscele e valutare la possibilità di ottenere una combustione stabile. La prima parte del lavoro consiste nel dettagliare precisamente la chimica della combustione, attraverso la scelta, la validazione e, successivamente, l’utilizzo di meccanismi chimici dettagliati. I risultati di questa prima fase di studio sono esposti attraverso la caratterizzazione di due parametri fondamentali: la velocità laminare di fiamma ed il ritardo all’accensione. Una fiamma laminare è un fenomeno chimico-fisico per cui una data miscela aria e combustibile a determinati valori di pressione e temperatura, si propaga in un mezzo premiscelato, in condizioni laminari (cioè senza turbolenza), rispetto al gas incombusto. Il tempo di ritardo all’accensione è definito come l’intervallo temporale che intercorre tra l’inizio di una determinata condizione iniziale (ad esempio, il raggiungimento della temperatura e pressione di innesco in una miscela aria-combustibile) e l’inizio effettivo della reazione chimica esotermica, identificabile da un rapido incremento della temperatura o della produzione di specie radicali. I calcoli di cinetica chimica sono stati eseguiti tramite il tool apposito nel software commerciale CONVERGE CFD attraverso simulazioni 1D e 0D. I risultati mostrano una forte dipendenza dalla quantità di idrogeno presente nella miscela e dalla temperatura. Le simulazioni hanno evidenziato che all’aumentare del contenuto di ammoniaca si osserva una riduzione della velocità di fiamma e un aumento del ritardo all’accensione, effetti amplificati in condizioni di bassa temperatura iniziale e bassa energia della scintilla. L’idrogeno, al contrario, gioca un ruolo fondamentale nel sostenere la combustione, grazie alla sua elevata reattività e capacità di generare radicali liberi nelle fasi iniziali del processo. I calcoli relativi alla velocità di fiamma laminare sono stati utilizzati in seguito come input nelle simulazioni CFD 3D del processo di combustione, sempre tramite lo stesso codice. Viene considerato un solo cilindro del motore, caratterizzato da un alesaggio di 170 mm ed una corsa di 185 mm. Il rapporto di compressione è 13.6:1. Le simulazioni sono non stazionarie. Il modello di combustione utilizzato è G-equation, opportunamente supportato da meccanismi di cinetica chimica dettagliata. Nonostante un set up semplificato e privo di distribuzione, il modello consente comunque di cogliere le tendenze principali del comportamento delle miscele alternative nelle condizioni operative considerate. Le simulazioni mostrano che l’utilizzo di questi combustibili alternativi è una possibilità concreta per il futuro della mobilitazione marittima. Successivi studi potrebbero coinvolgere un’analisi CFD 3D dell’intero cilindro (compresa la distribuzione) preoccupandosi di trattare anche la questione dello smaltimento del calore.