Modellazione CFD 3D delle emissioni di NOx in un motore ad alte prestazioni alimentato ad idrogeno

L’uso dell’idrogeno come vettore energetico è una delle opzioni più promettenti per la decarbonizzazione del settore dei trasporti. Tra le soluzioni tecnologiche, i motori a combustione interna alimentati a idrogeno (H2 ICE) rappresentano un'alternativa potenzialmente più rapida da implementare rispetto alle celle a combustibile, grazie alla possibilità di adattare tecnologie esistenti.\\ L’idrogeno, in quanto combustibile privo di carbonio, permette infatti di eliminare le emissioni dirette di anidride carbonica (CO2) allo scarico. Shelef e Kukkonen hanno analizzato le prestazioni ambientali ed energetiche dei veicoli con motore a combustione interna alimentato a idrogeno (H2 ICE), confrontandoli con veicoli a benzina e veicoli elettrici. Il confronto è stato effettuato considerando le emissioni di anidride carbonica (CO2) lungo l’intero ciclo "dal pozzo alla ruota" e il consumo di energia primaria. Nonostante siano trascorsi oltre quindici anni dalla pubblicazione dello studio, molte delle considerazioni e delle criticità evidenziate in merito all’introduzione dell’idrogeno come carburante per il settore dei trasporti risultano ancora attuali. In particolare, gli autori avevano evidenziato come i veicoli H2 ICE comportavano un miglioramento nella riduzione sia del consumo di energia primaria che delle emissioni di gas serra rispetto ai veicoli a benzina e a gas naturale. Tuttavia, non è privo di criticità ambientali: tra queste, la formazione di ossidi di azoto (NOx) rappresenta uno degli ostacoli principali alla diffusione di questa tecnologia. Nei motori H2 ICE, la combustione dell’idrogeno avviene a temperature molto elevate, a causa dell’elevata velocità di fiamma e della bassa massa molecolare del combustibile. Queste condizioni favoriscono in modo marcato la formazione termica di NOx, anche in assenza di specie carboniose. Questo fenomeno è particolarmente accentuato in presenza di miscele ricche o prossime alla stechiometria, dove l’elevata concentrazione di combustibile, combinata con l’alta temperatura della fiamma, porta a un incremento significativo della produzione di NOx. L’uso di miscele molto magre, invece, consente una drastica riduzione delle temperature di combustione e, conseguentemente, delle emissioni di NOx. Alla luce di queste considerazioni, la presente tesi si propone di analizzare e modellare il comportamento delle emissioni di NOx nei motori H2 ICE, cercando di comprendere l’influenza del rapporto aria-carburante e della stratificazione della miscela su di essi. A tal proposito, sono stati considerati diversi punti operativi in condizioni di miscela magra e di miscela ricca. La modellazione è stata condotta attraverso software di simulazione 3D, convalidata su dati sperimentali ottenuti dal banco prova di un'azienda locale.\\ I risultati ottenuti permettono di identificare i principali parametri operativi che influenzano la formazione di NOx, contribuendo a stabilire strategie e informazioni utili per una possibile ottimizzazione sulla panoramica della modellazione degli NOx.